Sip/Al复合材料导电性能研究及理论计算

摘要：采用挤压铸造专利技术制备了电子封装用Sip/LG5、Sip/LD11、Sip/Al-Si2O,3种可回收再利用的、高体积分数环保型复合材料，探讨了Sip/Al复合材料导电性能的影响因素，并采用理论模型对复合材料电导率进行了理论计算。结果表明，Sip/Al复合材料导电率可达4．42MS/m；Si-A1界面平直、干净、没有反应物产生；基体合金相同时，复合材料的电导率随着增强体颗粒含量增加而下降；颗粒含量相同时，电导率随着基体中合金元素量增加而下降；颗粒大小对电导率影响不明显；复合材料经过退火处理后电导率有所升高。与复合材料电导率的实测值相比较，P.G模型的计算结果和测量值比较接近。     

高含量Sip/Al热控制复合材料性能研究

首次采用无压浸渗工艺,使Al液自发浸渗进入多孔Si预制件中,制备出Al/70vol%SiP复合材料,对该材料的浸渗过程、组织特点和热物理性能进行了分析.研究发现,与其他方法相比,无压浸渗料获得的高含量Sip/Al复合材料,在性能上具有低密度、高导热率、低膨胀系数等特点,具备了热控制材料的基本特征,明显优于Cu-W、Fe-Ni合金、Kovar合金、SiCp/al复合材料,以及采用其他工艺制备的Si/Al复合材料.     

3D-Cf/Al复合材料的微观组织与剪切性能

研究了真空压力浸渗法制备的两种3D-Cf/Al复合材料的微观组织,测试了在25、350及400℃时的剪切性能并分析了剪切失效机制.结果表明,三维五向与三维正交Cf/Al复合材料的致密度分别为97.8％和99.2％,两种复合材料都存在少量微孔缺陷,由于三维五向较三维正交结构而言,纤维束间的交织点数量多、纤维丝间的间隙小以...     

稀土元素对原位合成TiB_2/Al复合材料组织和性能的影响

采用原位合成法研究稀土元素Ce,Sc,Er对TiB_2/Al复合材料TiB_2颗粒和基体组织的影响,并对复合材料的拉伸性能进行分析。结果表明,稀土元素的添加显著改善了复合材料的组织和性能。添加0.3%(质量分数)Sc和Er的复合材料的TiB_2颗粒分布相对均匀,稀土元素Er对基体合金的组织细化效果最显著,其次是Sc。添加稀土Sc和Er元素的复合材料拉伸强度较好,分别提高了32%和31%,添加稀土Er元素的复合材料伸长率最佳,提高了85%,因此,其拉伸性能也最佳。添加稀土元素Sc和Er后,复合材料的断裂形式为微孔聚集型的韧性断裂。稀土元素对复合材料的作用机理表现在两方面:一是稀土元素的添加改善了复合材料的润湿性,并抑制了TiB_2颗粒的团聚;另一方面,稀土元素的添加使得基体合金组织细化,从而提高了复合材料的拉伸强度。     

熔渗温度对Si/Al复合材料组织及性能的影响

采用无压熔渗法制备Si/Al复合材料,研究了熔渗温度对所制备Si/Al复合材料Si相形貌的影响,对Si相间基体合金的凝固组织进行了分析,测试了Si/Al复合材料热膨胀系数、热导率及抗弯强度。结果表明,在相同熔渗时间下,随着熔渗温度升高,所制备Si/Al复合材料中Si相从颗粒状到形成网络状。Si相间的Al-Si基体合金中不再是典型的初生相和共晶组织,而是出现了类似离异共晶的结晶现象,即初晶Si和共晶Si是在原存的Si相上结晶长大。XRD分析显示在所制备复合材料中只有Si相和Al相。随着熔渗温度升高复合材料热膨胀系数、热导率以及抗弯强度均出现下降。     

无压浸渗制备SiC_p/Al复合材料的微观组织及弯曲性能

利用无压浸渗法制备高体积分数的SiCp/Al复合材料。采用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)对复合材料的相组成、微观组织及断口形貌进行分析,研究了基体合金成分对复合材料抗弯性能的影响。结果表明,以Al-10%Si-8%Mg合金为基体制备的复合材料组织均匀,致密度好,无明显气孔缺陷,界面反应产物为Mg2Si、MgAl2O4和Fe,且抗弯强度高于以Al-10%Si合金为基体制备的复合材料;复合材料整体上表现出脆性断裂的特征。     

占空比对SiCp/Al基复合材料微弧氧化膜层组织及性能的影响

以NaAlO₂+NaOH为电解液体系,在恒压模式下对SiC体积分数为45%,粒径为5μm的SiCp/Al基复合材料表面进行微弧氧化处理,研究了占空比对SiCp/Al基复合材料微弧氧化膜层组织及性能的影响。用SEM分析微弧氧化膜层的形貌;用X射线衍射仪分析膜层的相组成;采用粗糙度仪、维氏硬度仪、划痕仪对膜层粗糙度、显微硬度及结合力进行了分析;用电化学工作站分析膜层的耐蚀性。结果表明：随着占空比的增大,微弧氧化膜层变得连续,厚度呈现增加趋势,粗糙度逐渐增加,孔隙率逐渐降低。占空比对微弧氧化膜层的物相有一定影响。SiCp/Al基复合材料微弧氧化膜层与基体的结合力随占空比的增加先增大后减小。不同占空比下制备的微弧氧化膜层均能提高SiCp/Al基复合材料的耐蚀性,占空比为70%时制备的微弧氧化膜层耐蚀性最好。     

纳米Al/Al2O3复合材料中Al2O3膜的碎化对性能的影响

观察了在不同温度下退火的Al/Al2O3复合材料的微观组织，结果表明，当退火温度达570℃时包裹着Al核的非晶Al2O3壳开始破碎。研究了非晶Al2O3膜的破碎机理并在此基础上讨论了材料微观结构与力学性能和内耗的关系，发现氧化膜的状态对材料的力学性能和内耗特征具有决定性的影响。     

石墨表面镀Si对石墨/Al复合材料热物理性能的影响

研究了石墨粒径及表面镀Si处理对石墨/Al复合材料热物理性能的影响。结果表明:在盐浴过程中石墨表面形成了SiC层,这不仅增强了石墨-Si/Al复合材料的界面结合力,而且抑制了Al4C3相的产生。随着石墨鳞片体积分数从50%增加到70%,复合材料X-Y方向的热导率从492 W/(m·K)增加到654 W/(m·K),而且体积分数为50%的镀Si石墨/Al复合材料抗弯强度达到了81 MPa,相比未镀覆的提高了53%,是理想的定向导热电子封装材料。随着石墨粒径从500μm减小到150μm,石墨-Si/Al复合材料X-Y面方向的热导率由654 W/(m·K)降低到445 W/(m·K),但Z方向的热导率和复合材料抗弯强度变化不明显。     

金刚石/Al(或AlSi合金)复合材料性能衰退及抑制

采用气体压力浸渗法制备了金刚石/Al、金刚石/AlSi7和金刚石/AlSi9复合材料,对比研究了其暴露在空气中的性能衰退行为。研究表明,界面反应产物Al₄C₃会潮解生成Al（OH）₃,增大界面热阻,导致金刚石/Al复合材料性能衰退。Al基体中添加Si元素可以显著降低其性能衰退速率,其机制为:金刚石中C元素在Al液中溶解度的降低和Si在金刚石颗粒表面的优先析出,抑制了Al₄C₃的生成量;此外,金刚石/AlSi复合材料致密度的提高,对Al₄C₃与水汽的接触起到阻碍作用。讨论了抑制金刚石/Al复合材料性能衰退的几种可行方法,有望进一步提高其在潮湿环境中的使用寿命。      

放电等离子烧结制备Diamond/Al复合材料

采用放电等离子烧结法（SPS）制备了Diamond/Al复合材料,研究了金刚石粒径、成分配比、工艺参数等对复合材料的导热性能的影响。结果表明,SPS可以得到导热性能较好的Diamond/Al复合材料,致密度是影响该材料导热性能的最重要因素。在实验确定的金刚石体积分数50%,金刚石粒径70 μm,温度550℃、压力30 MPa的工艺条件下,所制备的材料致密度较高,热导率为182 W/(m·K),比相同条件下纯铝粉烧结体的热导率提高了34.8%,表明金刚石的添加对烧结铝基材料导热性能有明显的改善作用。      

高比例SiC_p/Al复合材料的有效热导率模型

有效热导率是铝基复合材料在电子封装、热控方面应用的重要性能指标.结合复合材料广义自洽微观力学模型,并在Maxwell理论的基础上,初步建立了适合高体积分数SiCp/Al复合材料的有效热导率预测模型.模型不仅考虑了颗粒与颗粒、颗粒与基体间的界面效应,而且在一定程度上也考虑了增强体颗粒的形状.其理论计算结果与实测值吻合较好.     

添加Al对MSI制备C/C-SiC复合材料组织和力学性能的影响

以聚丙烯腈( PAN) 基炭纤维(Cf ) 针刺整体毡为预制体, 用化学气相渗透(CVI) 法制备炭纤维增强炭基体(C/ C) 的多孔坯体, 采用熔融渗硅(MSI) 法制备C/ C-SiC 复合材料, 研究了渗剂中添加Al 对复合材料组织结构和力学性能的影响。结果表明: C/ C 坯体反应溶渗硅后复合材料的物相组成为SiC 相、C 相及残留Si 相。随着渗剂中Al 量的增加, 材料组成相中的Al 相也增加而其它相减少; SiC 主要分布在炭纤维周围, 残留Si 相分布在远离炭纤维处, 而此处几乎不含Al ; 当渗剂中Al 量由0 增加到10 %时, 复合材料的抗弯强度由116. 7 MPa 增加到175. 4 MPa , 提高了50. 3 % , 断裂韧性由5. 8 MPa·m1/2增加到8. 6 MPa·m1/2 , 提高了48. 2 %。Al 相的存在使复合材料基体出现韧性断裂的特征。      

连续分布界面相对SiCp/Al复合材料热导率影响的数值模拟

采用有限元方法对SiCp/Al复合材料的导热性能进行了数值模拟, 建立了含界面相颗粒增强铝基复合材料测试模型, 研究了不同界面相种类、厚度对复合材料热导率的影响。结果表明: 当界面相与SiC/Al结合理想时, 且界面相在颗粒表面呈连续分布时, 复合材料热导率随着界面层热导率的增加而增大, 但增加的幅度由快变慢; 复合材料热导率随界面层厚度的变化取决于界面层厚度t与颗粒粒径a的比值, 当t/a很小或t/a较大时, 热导率随界面层厚度的变化很小, 当t/a较小时, 热导率随界面层厚度的变化则与界面层热导率有关。     

添加铜网对片层石墨/Al复合材料热物理性能的影响

使用盐浴法对片层石墨（GFs）进行表面镀Si处理,采用真空热压法制备片层石墨/Al复合材料（Si-GFs/Al）。向Si-GFs/Al复合材料中添加10vol%的铜网,研究了铜网对Si-GFs/Al复合材料热导率和力学性能的影响。使用SEM、聚焦离子束（FIB）和TEM对Si-GFs/Al复合材料的微观结构和微观界面进行表征,并分析了复合材料的断裂机制。结果表明,添加铜网使Si-GFs/Al复合材料内部出现了高聚集定向GFs带,形成高导热通道。当GFs体积分数为30vol%~40vol%时,Si-GFs/Al复合材料的热导率提升了约20%,弯曲强度提升了40%以上。当GFs体积分数为40vol%时,Si-GFs/Al复合材料热导率和弯曲强度同时达到一个优值,分别为512 W/（mK）和127 MPa。      

B添加对TiC/Ti6Al4V复合材料组织和耐磨性能的影响

用熔铸法制备原位自生钛合金基复合材料,研究B元素的添加对TiC/Ti6Al4V复合材料显微组织和耐磨性能的影响.结果表明:当B的加入量小于0.06%(质量分数,下同)时,随B加入量的增加,复合材料中的枝晶状增强相TiC的尺寸显著减小,由粗大的树枝状逐渐减小为细小的树枝状,甚至链条状和颗粒状,但是复合材料的耐磨性下降;当B添加量从0.1%增加到0.6%时,枝晶状TiC细化不明显,TiC周围伴有纤维状的TiB出现,复合材料的耐磨性能得到明显提高.B对TiC枝晶的细化是凝固前沿成分过冷区形核率的提高和TiC生长率降低的综合作用结果.耐磨性能的改善主要是生成的大量纤维状TiB共同参与了磨损所致.     

SiCp/Al复合材料抗弯性能研究

利用空气气氛下的无压渗透法制备了高体积分数的SiCp/Al复合材料,研究了颗粒粒径、基体合金成分、预处理工艺对复合材料抗弯性能的影响,并采用SEM观测了复合材料抗弯断口形貌.结果表明,SiCp/Al复合材料的抗弯强度随着SiC颗粒粒径减小而增大;基体材料的强度越高,复合材料的抗弯强度越高;复合材料整体上表现出脆性断裂的特征.     

SiC陶瓷基片的烧结工艺与SiC_p/Al复合材料的制备方法

概述了电子封装基片材料的基本性能要求;讨论了SiC陶瓷基片常用的4种烧结工艺,即常压烧结、热压烧结、反应烧结和放电等离子烧结;介绍了SiCp/Al复合材料的制备方法,即搅拌铸造法、无压渗透法、喷射沉积法、粉末冶金法;据此进一步提出了SiC陶瓷基片材料的发展方向。