Получение объемных изделий из металломатричного композита Cu-SiC для энергоэффективных теплопроводящих систем

Abstract

Актуальность исследования связана со стремительным развитием современных высокопроизводительных вычислительных систем, супернейрокомпьютеров и устройств искусственного интеллекта, которое сегодня сдерживается во многом из-за отсутствия эффективной системы охлаждения элементов высокомощных устройств. Композитные материалы Cu-SiC с повышенными физико-механическими и теплофизическими характеристиками могут быть использованы для решения задач интенсификации теплоотвода. Цель: получить объемные изделия из металломатричного композита Cu-10%SiC с повышенными физико-механическими и теплофизическими характеристиками методом искрового плазменного спекания. Объекты: объемные изделия из металломатричного композита Cu-10%SiC. Образцы получены методом искрового плазменного спекания при температурах 700, 750, 800, 850 °C и давлении 60 МПа. Методы: искровое плазменное спекание; рентгеновская дифрактометрия (рентгенофазовый анализ); сканирующая электронная микроскопия; индентирование; метод лазерной вспышки. Результаты. Проведены экспериментальные исследования по получению объемных металломатричных композитов с медной матрицей и добавлением армирующих сверхтвердых частиц карбида кремния Cu-10%SiC. Проведено компактирование дисперсных композитных материалов путем искрового плазменного спекания при различных температурах 700, 750, 800 и 850 °C. Исследованы микроструктура и состав исходных дисперсных материалов и конечных объемных продуктов. Показано, что метод искрового плазменного спекания обладает преимуществами для получения относительно плотных материалов с высокими физико-механическими и теплофизическими свойствами. Анализ полученных образцов показал формирование плотной (до ~88 %) однородной мелкозернистой композитной структуры. Наибольшее уплотнение материала достигается при наибольшей температуре спекания 850 °C, что обуславливает для этого образца демонстрацию максимальных твердости (H=3,63 ГПа) и модуля Юнга (E=159,63 ГПа), а также коэффициента теплопроводности при комнатной температуре (λ=223 Вт/м·К). Полученные композитные материалы могут быть использованы в качестве конструкционных и функциональных материалов для энергоэффективных теплопроводящих систем

The relevance of the research is associated with the rapid development of modern high-performance computing systems, superneurocomputers and artificial intelligence devices. Today such development is held back largely due to the lack of an effective cooling system for high-power elements of their structures. Composite materials Cu-SiC with improved physical, mechanical and thermophysical characteristics can be used to solve problems of heat removal intensification. The main aim of the research is to obtain bulk products from metal-matrix composite Cu-10%SiC with improved physical, mechanical and thermal characteristics by spark plasma sintering. Objects of the research are bulk products from metal-matrix composite Cu-10%SiC. The samples were obtained by spark plasma sintering at temperatures of 700, 750, 800, 850 °C and a pressure of 60 MPa. Methods: spark plasma sintering, X-ray diffractometry (X-ray phase analysis), scanning electron microscopy, indentation, laser flash method. Results. Experimental studies have been carried out to obtain bulk metal-matrix composites with a copper matrix and the addition of reinforcing superhard particles of silicon carbide Cu-10%SiC. The compaction of dispersed composite materials was carried out by spark plasma sintering at various temperatures of 700, 750, 800, and 850 °C. The microstructure and composition of initial dispersed materials and final bulk products have been studied. It is shown that the spark plasma sintering method has advantages for obtaining relatively dense materials with high physical, mechanical and thermal properties. Analysis of the obtained samples showed the formation of a dense (up to ~88 %) homogeneous fine-grained composite structure. The greatest densification of the material is achieved at the highest sintering temperature of 850 °C, which causes this sample to demonstrate the maximum hardness (H=3,63 GPa) and Young's modulus (E=159,63 GPa), as well as the thermal conductivity at room temperature (λ=223 W/m K). The obtained composite materials can be used as structural and functional materials for energy-efficient heat-conducting systems