Том 337 № 2 (2026)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2026/2/5232
Получение порошков меди и металломатричных композитов с медной матрицей в плазме дугового разряда
Актуальность исследования обусловлена тем, что медные металломатричные композиты находят широкое применение в передовых инженерных приложениях, связанных с экстремальными механическими нагрузками и повышенными тепловыми потоками, в особенности в электронной промышленности, в качестве подложек для дискретных силовых компонентов и радиаторов. Такие материалы способны эффективно отводить тепло от электронных компонентов, что весьма важно в связи с прогнозируемой динамикой роста локальных тепловых потоков в высокопроизводительных устройствах и их общей миниатюризацией. Внедрение медных металломатричных композитов способно значительно повысить эффективность процессов производства и преобразования энергии за счет интенсификации теплоотвода. Цель: синтезировать порошки меди и металломатричных композитов с медной матрицей с использованием плазмы дугового разряда для дальнейшего изготовления из них объемных изделий с повышенными механическими и теплофизическими свойствами. Объекты: порошки меди, карбида вольфрама и металломатричных композитов с медной матрицей, армированных карбидом вольфрама, а также объемные изделия, изготовленные из указанных порошков. Методы: плазмодинамический синтез, искровое плазменное спекание, рентгеновская дифрактометрия (рентгенофазовый анализ), сканирующая электронная микроскопия, просвечивающая электронная микроскопия, индентирование (измерение микротвердости), метод лазерной вспышки (измерение теплопроводности). Результаты. С использованием плазмодинамического метода синтезированы порошки меди, нанодисперсного карбида вольфрама и металломатричного композита на их основе. Предложены два принципиальных подхода, в том числе ex situ, базирующийся на отдельном получении Cu и карбида вольфрама и последующем их смешивании, и in situ, предполагающий совместное получение и совмещение матрицы и карбида вольфрама. Получены дисперсные медные металломатричные композиты с содержанием карбида 10 % и бимодальным распределением частиц по размерам от десятков нанометров до сотен микрометров. Это позволило в процессе искрового плазменного спекания получить высокоплотные объемные композитные изделия с относительной плотностью до 95 % и однородным распределением керамического компонента в матрице. Для изготовленных композитных материалов продемонстрирован значительный потенциал с точки зрения как механических, так и теплофизических свойств. Показана повышенная твердость (73–92 HV) объемных изделий, сочетающаяся с удовлетворительными теплофизическими характеристиками (λ до 169 Вт/м∙К). Полученные результаты могут быть востребованы при разработке современных материалов, способных работать в экстремальных механических и термических условиях эксплуатации, которая является серьезной проблемой, стоящей сегодня, прежде всего, перед электронной промышленностью. С помощью полученных композиционных изделий могут быть решены задачи интенсификации теплоотвода, что в дальнейшем позволит создавать передовые системы энергоэффективного производства и преобразования энергии.
Ключевые слова:
медь, сверхтвердые карбиды, металломатричные композиты, плазмодинамический синтез, дуговой разряд, искровое плазменное спекание
Библиографические ссылки:
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ / REFERENCES
1. Singh K., Khanna V., Singh S., Bansal S. A., Chaudhary V., Khosla A. Paradigm of state-of-the-art CNT reinforced copper metal matrix composites: processing, characterizations, and applications. Journal of Materials Research and Technology, 2023, vol. 24, pp. 8572–8605. DOI: 10.1016/j.jmrt.2023.05.083.
2. Kotteda T.K., Kumar M., Kumar P., Chekuri R.B.R. Metal matrix nanocomposites: future scope in the fabrication and machining techniques. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2022, pp. 1–19. DOI: 10.1007/s00170-022-09847-0.
3. Sharma D.K., Mahant D., Upadhyay G. Manufacturing of metal matrix composites: a state of review. Materials Today: Proceedings, 2020, vol. 26, pp. 506–519. DOI: 10.1016/j.matpr.2019.12.128.
4. Akbarpour M.R., Gazani F., Mirabad H.M., Khezri I., Moeini A., Sohrabi N., Kim, H.S. Recent advances in processing, and mechanical, thermal and electrical properties of Cu-SiC metal matrix composites prepared by powder metallurgy. Progress in materials science, 2023, vol. 140, pp. 101191. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2023.101191.
5. Abo-Zahhad E.M., Ookawara S., Radwan A., Elkady M.F., El-Shazly A.H. Optimization of stepwise varying width microchannel heat sink for high heat flux applications. Case Studies in Thermal Engineering, 2020, vol. 18, pp. 100587. DOI: 10.1016/j.csite.2020.100587.
6. Guan H., He X., Zhu P., Zhang Z., Zhang T., Qu X. Microstructure and thermal properties of copper matrix composites reinforced by 3D carbon fiber networks. Composites Communications, 2023, vol. 44, pp. 101758. DOI: 10.1016/j.coco.2023.101758.
7. Kavimani V., Gopal P.M., Thankachan T., Sivamaran V. Evolution and recent advancements of composite materials in thermal applications. Applications of Composite Materials in Engineering, 2025, pp. 119–138. DOI: 10.1016/B978-0-443-13989-5.00005-X.
8. Shah A.W., Wang K., Siddique J.A., Li W. A comprehensive review of diamond-reinforced metal matrix composites for thermal management in high-performance electronics. Journal of Materials Research and Technology, 2024, vol. 33, pp. 8174–8197. DOI: 10.1016/j.jmrt.2024.11.171.
9. Pan Y., Liu X., Dai J., Fu W., Song X. The effects of hydrogen on the bonding properties of SiC/Cu interface via first-principles calculations. Solid State Communications, 2024, vol. 394, pp. 115712. DOI: 10.1016/j.ssc.2024.115712.
10. Akbarpour M.R., Mirabad H.M., Gazani F., Khezri I., Chadegani A.A., Moeini A., Kim H.S. An overview of friction stir processing of Cu–SiC composites: microstructural, mechanical, tribological, and electrical properties. Journal of Materials Research and Technology, 2023, vol. 27, pp. 1317–1349. DOI: 10.1016/j.jmrt.2023.09.200.
11. Schubert T., Brendel A., Schmid K., Koeck T., Zieliński W., Weißgärber T., Kieback B. Interfacial design of Cu/SiC composites prepared by powder metallurgy for heat sink applications. Composites part A: Applied science and Manufacturing, 2007, vol. 38, no. 12, pp. 2398–2403. DOI: 10.1016/j.compositesa.2007.08.012.
12. Khosravi J., Givi M.K.B., Barmouz M., Rahi A. Microstructural, mechanical, and thermophysical characterization of Cu/WC composite layers fabricated via friction stir processing. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2014, vol. 74, no. 5–8, pp. 1087–1096. DOI: 10.1007/s00170-014-6050-x.
13. Wang J., Zhang M., Dai R., Shao L., Tu Z., Zhu D., Xu Z., Dai S., Zhu L. Wear and electrochemical corrosion behaviors of Cu matrix WC-Co reinforced composite coating prepared by cold spray. Surface and Coatings Technology, 2024, vol. 488, pp. 131001. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2024.131001.
14. Zhang X., Gao J., Zhang J., Zhang L., Song B., Shi Y. Mechanism of simultaneous improvement of mechanical performance and conductivity of TiC/Cu composites prepared by laser powder bed fusion. Journal of Alloys and Compounds, 2024, vol. 1002, pp. 175281. DOI: 10.1016/j.jallcom.2024.175281.
15. Dudina D.V., Shtertser A.A., Vidyuk T.M., Bokhonov B.B. Experimental evidence and possible mechanism of melt formation at the inter-particle contacts during spark plasma sintering of TiC-Cu composite particles. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2024, vol. 122, pp. 106732. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2024.106732.
16. Ahn B.W., Kim J.H., Hamad K., Jung S.B. Microstructure and mechanical properties of a B4C particle-reinforced Cu matrix composite fabricated by friction stir welding. Journal of Alloys and Compounds, 2017, vol. 693, pp. 688–691. DOI: 10.1016/j.jallcom.2016.08.304.
17. Prajapati P.K., Chaira D. Fabrication and characterization of Cu–B4C metal matrix composite by powder metallurgy: effect of B4C on microstructure, mechanical properties and electrical conductivity. Transactions of the Indian Institute of Metals, 2019, vol. 72, no. 3, pp. 673–684. DOI: 10.1007/s12666-018-1518-2.
18. Singh L., Singh B., Saxena K.K. Manufacturing techniques for metal matrix composites (MMC): an overview. Advances in Materials and Processing Technologies, 2020, vol. 6, no. 2, pp. 224–240. DOI: 10.1080/2374068X.2020.1729603.
19. Parikh V.K., Patel V., Pandya D.P., Andersson J. Current status on manufacturing routes to produce metal matrix composites: State-of-the-art. Heliyon, 2023, vol. 9, no. 2, pp. e13558. DOI: 10.1016/j.heliyon.2023.e13558.
20. Seikh Z., Sekh M., Mandal G., Sengupta B., Sinha A. Metal matrix composites processed through powder metallurgy: a brief overview. Journal of The Institution of Engineers (India): Series D, 2024, vol. 106, no. 1, pp. 1–8. DOI: 10.1007/s40033-024-00651-6.
21. Gobalakrishnan B., Rajaravi C., Udhayakumar G., Lakshminarayanan P.R. A comparative study on ex-situ & in-situ formed metal matrix composites. Archives of Metallurgy and Materials, 2022, pp. 171–185. DOI: 10.24425/amm.2023.141491.
22. Nie J. H., Jia C. C., Jia X., Li Y., Zhang Y.F., Liang X.B. Fabrication and thermal conductivity of copper matrix composites reinforced by tungsten-coated carbon nanotubes. International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials, 2012, vol. 19, no. 5, pp. 446–452. DOI: 10.1007/s12613-012-0577-3.
23. Li T., Wang Y., Yang M., Hou H., Wu S. High strength and conductivity copper matrix composites reinforced by in-situ graphene through severe plastic deformation processes. Journal of Alloys and Compounds, 2021, vol. 851, pp. 156703. DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.156703.
24. Rativa-Parada W., Nilufar S. Nanocarbon-infused metal matrix composites: a review. JOM, 2023, vol. 75, no. 9, pp. 4009–4023. DOI: 10.1007/s11837-023-05905-4.
25. Tabandeh-Khorshid M., Kumar A., Omrani E., Kim C., Rohatgi P. Synthesis, characterization, and properties of graphene reinforced metal-matrix nanocomposites. Composites Part B: Engineering, 2020, vol. 183, pp. 107664. DOI: 10.1016/j.compositesb.2019.107664.
26. Bhowmik A., Kumar R., Beemkumar N., Kumar A.V., Singh G., Kulshreshta A., Mann V.S., Santhosh A.J. Casting of particle reinforced metal matrix composite by liquid state fabrication method: a review. Results in Engineering, 2024, vol. 24, pp. 103152. DOI: 10.1016/j.rineng.2024.103152.
27. Sivkov A.A., Nikitin D.S., Pak A.Y., Rakhmatullin I.A. Production of ultradispersed crystalline silicon carbide by plasmodynamic synthesis. Journal of Superhard Materials, 2013, vol. 35, no. 3, pp. 137–142. DOI: 10.3103/S1063457613030027.
28. Sivkov A.A., Nikitin D.S., Pak A.Y., Rakhmatullin I.A. Direct plasmadynamic synthesis of ultradisperse silicon carbide. Technical Physics Letters, 2013, vol. 39, no. 1. pp. 105–107. DOI: 10.1134/S1063785013010392.
29. Sivkov A., Shanenkova Y., Vympina Y., Nikitin D., Shanenkov I. Deposition of copper coatings on internal aluminum contact surfaces by high-energy plasma spraying. Surface and Coatings Technology, 2022, vol. 440, pp. 128484. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2022.128484.
30. Shanenkov I., Nikitin D., Nassyrbayev A., Vympina Y., Tsimmerman A., Sivkov A. Plasma dynamic synthesis of dispersed Cu/SiC composites with a controlled phase composition. Metals and Materials International, 2024, vol. 30, no. 3, pp. 814–831. DOI: 10.1007/s12540-023-01533-4.
31. Sivkov A., Vympina Y., Ivashutenko A., Rakhmatullin I., Shanenkova Y., Nikitin D., Shanenkov I. Plasma dynamic synthesis of highly defective fine titanium dioxide with tunable phase composition. Ceramics International, 2022, vol. 48, no. 8, pp. 10862–10873. DOI: 10.1016/j.ceramint.2021.12.303.
32. Sahoo B.P., Das D., Chaubey A.K. Strengthening mechanisms and modelling of mechanical properties of submicron-TiB2 particulate reinforced Al 7075 metal matrix composites. Materials Science and Engineering: A, 2021, vol. 825, pp. 141873. DOI: 10.1016/j.msea.2021.141873.
33. Carneiro Í., Simões S. Strengthening mechanisms in carbon nanotubes reinforced metal matrix composites: a review. Metals, 2021, Vol. 11, no. 10, pp. 1613. DOI: 10.3390/met11101613.
34. Zhang Z., Xu S., Xiang K., Guo N., Zhong L., Feng K., Jiang F. Enhanced friction and wear behavior of submicron WC-reinforced Cu matrix composites at various temperatures. Journal of Materials Research and Technology, 2025, vol. 35, pp. 523–534. DOI: 10.1016/j.jmrt.2025.01.067.
35. Li C., Malik A., Nazeer F., Abrar S., Long J., Yang Z., Ma Z., Gao L. Hardness and thermal conductivity of Cu-carbon composites by using different carbon-based fillers. Results in Physics, 2022, vol. 33, pp. 105157. DOI: 10.1016/j.rinp.2021.105157.
36. Chen Q., Yu M., Cao K., Chen H. Thermal conductivity and wear resistance of cold sprayed Cu-ceramic phase composite coating. Surface and Coatings Technology, 2022, vol. 434, pp. 128135. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2022.128135.
37. Minneci R.P., Lass E.A., Bunn J.R., Choo H., Rawn C.J. Copper-based alloys for structural high-heat-flux applications: a review of development, properties, and performance of Cu-rich Cu–Cr–Nb alloys. International Materials Reviews, 2021, vol. 66, no. 6, pp. 394–425. DOI: 10.1080/09506608.2020.182148.
