SiC颗粒特性对无压熔渗SiCp/Al复合材料热物理性能的影响

采用粉末注射成形-无压熔渗相结合技术制备出了电子封装用高体积分数SiCp/Al复合材料.重点研究了SiC粒径、体积分数以及粒径大小等颗粒特性对所制备复合材料热物理性能的影响规律.研究结果表明,SiCp/Al复合材料的热导率随SiC粒径的增大和体积分数的增加而增加;SiC粒径的大小对复合材料的热膨胀系数(CTE)没有显著的影响,而其体积分数对CTE的影响较大.CTE随着SiC颗粒体积分数的增加而减小,CTE实验值与基于Turner模型的预测值比较接近.通过对不同粒径的SiC粉末进行级配,可以实现体积分数在53%~68%、CTE(20~100℃)在7.8×10^-6~5.4×10^-6K^-1、热导率在140~190W·m·K^-1范围内变化.     

SPS方法制备铜/金刚石复合材料

采用放电等离子烧结(SPS)方法制备出高体积分数的铜/金刚石复合材料,并对复合材料的致密度、热导率和热膨胀系数等进行了研究.结果表明,采用该方法制备的铜/金刚石复合材料微观组织均匀,致密度分布为94%~99%,最高热导率为305W·(m·K)^-1,热膨胀系数与常见电子半导体材料相匹配,能够满足电子封装材料的要求.     

伪半固态触变成形制备SiCp/Al电子封装材料的组织与性能

采用伪半固态触变成形工艺制备了40%、56%和63%三种不同SiC体积分数颗粒增强Al基电子封装材料,并借助光学显微镜和扫描电镜分析了材料中Al和SiC的形态分布及其断口形貌,测定了材料的密度、致密度、热导率、热膨胀系数、抗压强度和抗弯强度.结果表明,通过伪半固态触变成形工艺可制备出的不同SiC体积分数Al基电子封装材料,其致密度高,热膨胀系数可控,材料中Al基体相互连接构成网状,SiC颗粒均匀镶嵌分布于Al基体中.随着SiC颗粒体积分数的增加,电子封装材料密度和室温下的热导率稍有增加,热膨胀系数逐渐减小,室温下的抗压强度和抗弯强度逐渐增加.SiC/Al电子封装材料的断裂方式为SiC的脆性断裂,同时伴随着Al基体的韧性断裂.     

熔渗法制备高导热金刚石/Cu复合材料

利用真空热压熔渗技术制备金刚石/Cu复合材料。研究熔渗工艺、金刚石表面镀覆条件等对制备出的金刚石/Cu复合材料的热物理性能的影响。通过理论分析和试验数据可以发现:利用熔渗工艺制备出的金刚石/Cu复合材料中增强体金刚石的石墨化程度非常低,对复合材料的热性能影响很小;提高复合材料的致密度以及降低复合材料的界面热阻是提高复合材料热导率的主要方法,通过改变工艺参数和在金刚石表面镀覆金属层等方法可以提高复合材料的致密度并降低材料的界面热阻;采用180~210μm粒径镀Cr金刚石制备的金刚石体积分数为60%、相对密度为99.1%的复合材料热导率达到462 W·m-1·K-1。     

放电等离子烧结法制备金刚石/Cu复合材料

通过真空镀铬对金刚石颗粒进行表面改性,采用放电等离子烧结法(SPS)制备改性金刚石/Cu复合材料;研究金刚石的体积分数、工艺参数以及金刚石颗粒表面改性对复合材料导热性能的影响。结果表明,烧结温度、混料时间以及金刚石颗粒的体积分数都会影响材料的致密度,金刚石颗粒的体积分数还会影响材料的界面热阻,而致密度和界面热阻是影响该复合材料导热性能的2个重要因素;对金刚石颗粒进行真空镀铬表面改性,可改善颗粒与铜基体的润湿性,降低界面热阻。在一定的工艺条件下,镀铬金刚石体积分数为60%时,改性金刚石/Cu复合材料具有很高的致密度,其热导率达到503.9W/(m.K),与未改性的金刚石/Cu复合材料相比,热导率提高近2倍,适合做为高导热电子封装材料。     

SiC的添加对AlN/Mo/SiC复合陶瓷的制备和性能影响探究

以氮化铝(AlN),钼(Mo),碳化硅(SiC)为原料,采用放电等离子烧结的方式,在1700℃,30 MPa制备出致密度高达98.5％的SiC添加的AlN/Mo复合陶瓷.采用XRD,FESEM,Agilent4284型LCR自动测试仪,网络分析仪及激光导热仪对样品的微观形貌,导电性能,介电性能和热导率进行了测试分析.研究结果表明:采用放电等离子烧结工艺,在较低的温度下可以制备出组织致密均匀的AlN/Mo/SiC复合材料,但随着SiC添加含量的增加,当SiC的体积含量占到总体的60％时,复合材料的致密度又会出现明显的下降.添加SiC后,相对于AlN/Mo复合陶瓷,复合材料的电阻率得以进行有效的控制,不会出现非线性突变-渗流现象,而是在一定的范围内缓慢下降.在26.5～40.0 GHz下复合材料的介电常数和介电损耗均随着SiC含量的增加而增加.复合材料的热导率随着SiC含量的增加而下降:当致密度高于某临界值时,其热导率主要受SiC含量及其分布状态的影响,随着SiC含量的增加呈缓慢下降的趋势;而当致密度低于临界值后,致密度成为热导率的决定性因素,使得复合材料的热导率随着致密度的降低快速下降.     

包覆法制备Gp/SiC 复合材料的显微结构和性能

以不同粒径的石墨颗粒和SiC粉体为原料,采用SiC粉体包覆石墨颗粒的方法,于2000℃热压制备了石墨/碳化硅(Gp/SiC)复合材料.利用扫描电子显微镜(SEM,EDS)分析了材料的金相和断口显微结构.研究表明,石墨粒径较小且质量分数较少的复合材料比石墨粒径较大且质量分数较多的复合材料在热压工艺中更致密.石墨颗粒呈岛状紧密地镶嵌在SiC基体中,石墨与SiC界面处C和Si的扩散不明显.复合材料的相对密度、抗折强度,断裂韧性和硬度随石墨粒径和质量分数的减少而增加.断口形貌表明SiC陶瓷基体为脆性,石墨为韧性断裂.当石墨粒径为125μm、SiC与石墨的质量比为3.5时,复合材料的综合性能最佳,开口气孔率为0.3%,相对密度为97.9%,抗折强度为75±15 MPa,断裂韧性为5.4±0.5 MPa.m1/2,硬度为26.8±3GPa.     

无压烧结SiC-金刚石多晶材料致密化及物理性能研究

以AlN-Y₂O₃-Sc₂O₃为液相烧结助剂,添加不同质量分数金刚石,经无压烧结制备SiC-金刚石多晶材料。采用扫描电镜观察多晶材料显微结构,利用激光闪射法测量其热扩散系数和热导率。研究了金刚石质量分数(1.0%、2.5%、5.0%)和粒度(0.25μm、1.00μm)对SiC陶瓷材料致密化行为和力学性能的影响。结果表明,金刚石质量分数低于5.0%,烧结后的材料相对密度均超过94%;金刚石含量为5.0%的样品相对密度远远低于其他样品。SiC多晶材料的相对密度随金刚石添加量的增加而降低,原料中添加过量的金刚石会降低材料的相对密度。在实验条件下,多晶材料晶粒尺寸没有发生异常长大,硬度为16～18 GPa,断裂韧性为3.8～4.4 MPa·m^1/2,抗弯强度为239～540 MPa。材料的热导率和热扩散系数随着温度的升高而降低,气孔是影响复合材料热导率的主要因素。     

Co对熔渗法制备金刚石/Cu复合材料性能的影响

采用熔渗法制备金刚石/Cu复合材料,研究了采用15μm和50μm金刚石颗粒进行组合,体积分数为60%时基体中添加Co对复合材料的致密度、导热率、热膨胀系数及抗弯强度的影响。结果表明,随着Cu中Co含量的增加,复合材料达到熔渗致密时的温度也逐渐增加。采用同一合金成分,过高的熔渗温度会造成复合材料致密度的降低;当Cu中Co含量为2%时,复合材料的导热率提高了57%,达到347 W/(m·K),Co含量超过2%后复合材料的导热率开始降低;而Co含量的增加对降低复合材料的热膨胀系数、提高抗弯强度是有利的,这主要归因于铜中加入Co后对金刚石与Cu的界面改善作用。     

反应球磨热压烧结制备SiC_p/Cu复合材料的耐磨性能研究

以粒度均不大于37μm的Si粉、石墨粉和铜粉为原料,采用反应球磨热压烧结制备了SiC颗粒增强铜基复合材料。采用金相显微镜、SEM等分析手段对制备的复合材料进行组织观察,并对其进行硬度、致密度和耐磨性测试。结果表明,增强相除少量团聚外在基体上均匀弥散分布,增强相与基体相结合良好。铜基复合材料硬度随着增强相含量和烧结温度的升高而变大,增强相含量的影响比烧结温度的影响更显著,铜含量90%时材料的硬度达到135.16 HV,相比纯铜硬度提高了98.88%。材料致密度随烧结温度升高而升高,增强相含量较高时较为显著。随着增强相含量的升高材料的致密度和磨损率均下降。铜含量90%时材料的磨损率为铜含量95%材料磨损率的35%。     

金刚石表面改性及基体合金化对金刚石/铜复合材料导热性能的影响

以Pr₆O₁₁为刻蚀剂表面粗糙化处理金刚石颗粒,采用放电等离子烧结技术制备了金刚石/铜（硼）复合材料（金刚石体积分数为60.0%,硼体积分数为0.3%）,通过试验、热流密度模拟和声子谱计算研究了金刚石表面改性及基体硼合金化对金刚石/铜复合材料导热性能的影响。结果表明,粗糙化的金刚石界面增加了接触面积;在基体中添加硼元素,复合材料在烧结后出现B₄C相,B₄C相的形成改善了金刚石–铜两相界面结合状态。金刚石粗糙化与基体合金化两者的共同作用有效减少了界面热阻,优化了热通量传递的效率,提高了复合材料的导热性能。金刚石/铜复合材料热导率从421 W·m?1·K?1提高到了598 W·m?1·K?1,提升了近42%。     

金刚石/硅复合材料的制备和导热性能

为探索新型热沉用散热材料,采用高温高压方法烧结制备了金刚石/硅复合材料,并研究了金刚石大小粒度混粉、金刚石含量、渗硅工艺以及金刚石表面镀钛对复合材料的致密度和导热性能的影响.结果表明:在大粒度金刚石粉中掺入小粒度金刚石粉、渗硅和金刚石表面镀钛处理都可提高金刚石/硅复合材料的致密度和热导率;随着金刚石含量增大,复合材料热导率提高;其中75/63μm镀钛金刚石颗粒与40/7μm金刚石颗粒的混粉,当混粉质量分数为95%时,在4～5GPa、1400℃高温高压渗硅烧结,金刚石/硅复合材料的热导率可高达468.3W·m^-1·K^-1.     

镀层对金刚石/玻璃复合材料性能的影响

为满足现代电子工业日益增长的散热需求,急需研究和开发新型高导热陶瓷（玻璃）基复合材料,而改善复合材料中增强相与基体的界面结合状况是提高复合材料热导率的重要途径.本文在对金刚石和镀Cr金刚石进行镀Cu和控制氧化的基础上,利用放电等离子烧结方法制备了不同的金刚石增强玻璃基复合材料,并观察了其微观形貌和界面结合状况,测定了复合材料的热导率.实验结果表明：复合材料中金刚石颗粒均匀分布于玻璃基体中,Cu/金刚石界面和Cr/Cu界面分别是两种复合材料中结合最弱的界面;复合材料的热导率随着金刚石体积分数的增加而增加;金刚石/玻璃复合材料的热导率随着镀Cu层厚度的增加而降低,由于镀Cr层实现了与金刚石的化学结合以及Cr在Cu层中的扩散,镀Cr金刚石/玻璃复合材料的热导率随着镀Cu层厚度的增加而增加.当金刚石粒径为100μm、体积分数为70%及镀Cu层厚度为约1.59μm时,复合材料的热导率最高达到约91.0 W·m^-1·K^-1.     

Solidification of particle-reinforced metal-matrix composites

The solidification behavior of ceramic particle-reinforced metal-matrix composites (MMCs) is different from that of the bare matrix, not only because of the presence of the ceramic particles, but also due to their redistribution in the melt that results in nonhomogeneous thermophysical properties. The MMCs comprised of 10-to 15-μm SiC particles of varying volume fractions, dispersed uniformly in a modified aluminum A356 alloy by the melt stirring technique, were solidified unidirectionally in a thermocouple-instrumented cylindrical steel mold. The cooling rates were continually monitored by measuring temperatures at different depths in the melt, and the solidified MMCs were sectioned into disks and chemically analyzed for SiC volume fraction. The results point out that the cooling rate increased with increasing volume fraction of SiC particles. A small increase in the bulk SiC volume fraction of the cast MMC was observed due to particle settling during solidification. A one-dimensional enthalpy model of MMC solidification was formulated, wherein particle settling occurring in the solidifying matrix was coupled to the enthalpy equation by means of the Richardson-Zaki hindered settling correlation. A comparative study of simulations with experiments suggested that the thermal response of SiC particles used in this study was similar to that of single crystals, and their presence increased the effective thermal conductivity of the composite.     

镀钛金刚石增强玻璃基复合材料的性能

现代电子封装迫切需要开发新型高导热陶瓷（玻璃）基复合材料.本文在对镀钛金刚石进行镀铜和控制氧化的基础上,利用放电等离子烧结方法制备了金刚石增强玻璃基复合材料,并观察了其微观形貌和界面结合情况,测定了复合材料的热导率和热膨胀系数.实验结果表明：复合材料微观组织均匀,Ti/金刚石界面是复合材料中结合最弱的界面,复合材料的热导率随着金刚石粒径和含量的增大而增加,而热膨胀系数随着金刚石含量的增加而降低.当金刚石粒径为100 μm、体积分数为70%时,复合材料热导率最高达到了40.2 W·m^-1·K^-1,热膨胀系数为3.3×10^-6K^-1,满足电子封装材料的要求.     

表面镀钨金刚石/铜复合材料的有限元模拟

利用有限元分析软件ANSYS,对表面镀钨金刚石/铜复合材料进行了数值模拟,研究了金刚石体积分数、金刚石粒径及镀层厚度对表面镀钨金刚石/铜复合材料导热系数和热膨胀系数的影响。结果表明:随着金刚石体积分数的增加、金刚石粒径的增大、镀层厚度的减小,复合材料的导热系数呈现出增加的趋势,与文献数据的变化趋势相符,热膨胀系数受金刚石体积分数影响最大,金刚石粒径选在150~200 μm较为合适。     

纳米SiC增强纯Al基复合材料的微观组织和力学性能

与采用微米尺度SiC颗粒为增强相制备的Al基复合材料相比,以纳米SiC颗粒为增强相制备的Al基复合材料具有更加优异的力学性能,可极大提高SiC增强Al基复合材料的服役可靠性及应用范围。采用传统粉末冶金方法制备纳米SiC颗粒增强纯Al基复合材料,研究烧结温度和增强相体积分数对复合材料微观结构和力学性能的影响。研究表明,烧结温度和增强相体积分数均对复合材料的微观结构和力学性能有重要影响。随烧结温度升高,复合材料中的残留微孔减少,密度和强度均得到显著提高。含体积分数为3%纳米SiC颗粒的复合材料在610℃具有最高的强度,进一步提高纳米SiC颗粒的含量并不能提高材料的力学性能,这主要是由于当纳米SiC颗粒的体积分数超过3%时将出现明显的团聚,从而降低强化效应。