D0I:10.13374/1.issm100I103.2008.12.009 第30卷第12期 北京科技大学学报 Vol-30 No.12 2008年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2008 SiC颗粒特性对无压熔渗SiCp/Al复合材料热物理性 能的影响 叶斌何新波任淑彬曲选辉 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要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/A!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，SiC/A1复合材料的热导率随 SC粒径的增大和体积分数的增加而增加：SC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 140~190WmK-范围内变化 关键词SiCp/Al复合材料：热物理性能；粉未注射成形：无压熔渗 分类号TB333.3 Effect of SiC particles characteristics on the thermophysical properties of SiCp/ Al composites by powder injection and pressureless infiltration YE Bin.HE Xinbo,REN Shubin,QU Xuanhui School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083 ABSTRACT SiCp/Al composites with high volume fraction for electronic packaging were prepared by powder injection molding and pressureless infiltration.The effects of the particle size and volume fraction of SiC on the thermophysical properties of SiCp/Al com- posites were investigated.The results show that thermal conductivity of SiCp/Al composites increases with the increase of the particle size and volume fraction of SiC.The coefficient of thermal expansion(CTE)of the composites is not affected by the particle size of SiC but depends on the volume fraction of SiC.With the increase in volume fraction of SiC the CTE of the composites decreases.and it agrees well with the predicted values based on Turner's model.By graduation of SiC particles with different sizes,it can be realized that the volume fraction ranges from 53%to 68%.As a result,the CTE(20-100C)of the composites changes from 7.8X10-5to 5.4X10-6K-1.and thermal conductivity from 140 to 190 W'mK-1. KEY WORDS SiCp/Al composites:thermophysical properties:powder injection molding:pressureless infiltration 高体积分数SiCp/Al复合材料由于具有热导率 该种材料的近净成形技术已成为一个非常迫切的问 高、热膨胀系数(CTE)低且可调、密度低、强度与硬 题，无压熔渗技术是通过改善增强体与基体的界面 度高等优点，可替代以Kovar和WCu、MoCu为润湿性，使熔融铝合金在不加外压的情况下依靠毛 代表的传统电子封装合金，正成为迅速发展的新一 细管力和界面反应作用力自动渗于SCp预制件中， 代电子封装材料，在航空航天、光电器件等领域具有 最终获得致密的近净形SiCp/Al复合材料零 广阔的应用前景).然而，由于该材料本身具有 件3].目前，本课题组通过采用粉末注射成形制 很高的脆性和硬度，使其很难通过二次机械加工成 备SiCp预成形坯，然后采用Al合金无压熔渗的技 所需要的形状，严重制约了该材料的应用，因此开发术已能够成功实现复杂形状SiC/Al复合材料封装 收稿日期：2008-01-12修回日期：2008-03-22 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(No.2006AA03z557):教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(N。,NCET-0G0081) 作者简介：叶斌(1966一)，男，博士研究生；何新波(1971一)，男，教授，博士生导师，E mail:xb-he@163.com
SiC 颗粒特性对无压熔渗 SiCp／Al 复合材料热物理性 能的影响 叶 斌 何新波 任淑彬 曲选辉 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 摘 要 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（CT E）没有显著的影响而其体积分数对 CT E 的影响较大．CT E 随着 SiC 颗粒体积分数的增加而减小CT E 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％、CT E（20～100℃）在7∙8×10－6～5∙4×10－6 K －1、热导率在 140～190W·m·K －1范围内变化． 关键词 SiCp／Al 复合材料；热物理性能；粉末注射成形；无压熔渗 分类号 TB333∙3 Effect of SiC particles ’ characteristics on the thermophysical properties of SiCp／ Al composites by powder injection and pressureless infiltration Y E BinHE XinboREN ShubinQU Xuanhui School of Materials Science and EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083 ABSTRACT SiCp／Al composites with high volume fraction for electronic packaging were prepared by powder injection molding and pressureless infiltration．T he effects of the particle size and volume fraction of SiC on the thermophysical properties of SiCp／Al composites were investigated．T he results show that thermal conductivity of SiCp／Al composites increases with the increase of the particle size and volume fraction of SiC．T he coefficient of thermal expansion （CT E） of the composites is not affected by the particle size of SiC but depends on the volume fraction of SiC．With the increase in volume fraction of SiC the CT E of the composites decreasesand it agrees well with the predicted values based on Turner’s model．By graduation of SiC particles with different sizesit can be realized that the volume fraction ranges from53％ to68％．As a resultthe CT E（20－100℃） of the composites changes from7∙8×10－6to 5∙4×10－6 K －1and thermal conductivity from 140to190W·m·K －1． KEY WORDS SiCp／Al composites；thermophysical properties；powder injection molding；pressureless infiltration 收稿日期：2008-01-12 修回日期：2008-03-22 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目（No．2006AA03Z557）；教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目（No．NCET－06－0081） 作者简介：叶 斌（1966－）男博士研究生；何新波（1971－）男教授博士生导师E-mail：xb－he＠163．com 高体积分数 SiCp／Al 复合材料由于具有热导率 高、热膨胀系数（CTE）低且可调、密度低、强度与硬 度高等优点可替代以 Kovar 和 W－Cu、Mo－Cu 为 代表的传统电子封装合金正成为迅速发展的新一 代电子封装材料在航空航天、光电器件等领域具有 广阔的应用前景［1－2］．然而由于该材料本身具有 很高的脆性和硬度使其很难通过二次机械加工成 所需要的形状严重制约了该材料的应用因此开发 该种材料的近净成形技术已成为一个非常迫切的问 题．无压熔渗技术是通过改善增强体与基体的界面 润湿性使熔融铝合金在不加外压的情况下依靠毛 细管力和界面反应作用力自动渗于 SiCp 预制件中 最终 获 得 致 密 的 近 净 形 SiCp／Al 复 合 材 料 零 件［3－4］．目前本课题组通过采用粉末注射成形制 备 SiCp 预成形坯然后采用 Al 合金无压熔渗的技 术已能够成功实现复杂形状 SiCp／Al 复合材料封装 第30卷 第12期 2008年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．12 Dec．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．12．009
第12期 叶斌等：SiC颗粒特性对无压熔渗SiCp/A1复合材料热物理性能的影响 ,1411 零件的近净成形，且生产成本较低，生产效率较 料的热膨张系数的测试在德国耐驰公司NETZSCH 高 DIL402C热膨胀仪上进行.热膨胀系数的测试温 为了满足不同封装领域对材料多方面的性能要 度范围为25~400℃，标准测试试样尺寸为 求，需要对复合材料的性能进行合理的设计，高体 5mmX25mm,升温速率3℃min-1,氮气气氛保 积分数SiCp/Al复合材料的性能受到增强体SiC颗 护.采用德国耐驰公司NETZSCH LFA427激光热 粒的特性如SiC粒径大小和体积分数，以及基体合 导仪测量复合材料的热扩散系数，然后通过计算得 金的成分等因素的综合影响，本文将重点研究SC 到复合材料的热导率. 颗粒特性对所制备SiCp/Al复合材料的热物理性能 2结果与讨论 如热膨胀系数与热导率的影响规律，为最终合理设 计复合材料的性能提供理论和技术基础， 2.1复合材料的显微组织与致密度 图1为采用无压熔渗制备的SiCp/Al复合材料 1 实验过程 (63%,W40/W14)典型的光学组织.从图中可以看 实验所用SiC粉末为市售绿色aSiC,主要采 出：SiC颗粒分布比较均匀，并且致密度比较高，没 用五种不同粒径的SiC粉末，大小分别为14m 用明显的孔洞缺陷：较小的W14SC颗粒可以弥散 (W14)、28m(W28)、40m(W40)、63m(W63) 而均匀地分布在W40大颗粒的周围，没有明显的颗 及80m(W80).以W14号粉末为基础，将其他四 粒团聚 种粒度的SC粉末分别以3：2的质量比与其混合， 然后与石蜡基粘结剂进行混炼制成注射成形喂料， 通过对不同喂料的流变性能研究，可以确定四种组 合粉末在喂料中的最大体积分数分别可以达到 59%(W28/W14),63%(W40/W14),67%(W63/ W14)和68%(W80/W14).为了便于讨论SiC颗粒 大小以及体积分数对复合材料性能的影响规律，实 验共分成五组，如表1所示. 80m 表1具有不同SC粒度级配和体积分数的复合材料的密度和孔 隙率 图1无压熔渗制备SiCp/A1复合材料(63%，W40/W14)典型的 Table 1 Density and porosity of the composites with different particle 光学组织 sizes and volume fractions of SiC Fig.I Microstructure of SiCp/Al composites (63%.W40/W14) prepared by pressureless infiltration SiC粒度 体积分数/ 密度/ 孔隙率/ 组别 级配 % (g'cm-3) % 通过对比表1中所制备的几种复合材料的密度 I W14 53 2.81 5.3 可以发现：采用单一W14粒径所制备的复合材料致 W28/W14 59 2.91 2.0 密度较低，其孔隙率约为5%；而与几种较大的SC W40/W14 59 2.94 1.2 颗粒混合后其复合材料的致密度明显提高，孔隙率 W63/W14 59 2.95 <1 低于1.5%，这主要是由于颗粒粒径较小时，在预成 W80/W14 59 2.95 <1 形坯中所形成孔隙的孔径也较小，使得AI合金熔渗 W40/W14 63 2.96 1.2 进颗粒之间孔隙时所受的阻力增大，从而导致熔渗 W63/W14 63 2.97 <1 复合材料的致密度有所降低 W80/W14 63 2.98 <1 2.2复合材料的热导率 W63/W14 公 3.01 <1 图2列出了所制备的几种SiCp/Al复合材料的 W80/W14 67 3.00 <1 室温热导率，由图2可知，采用相同的SC体积分 W80/W14 68 3.01 1 数时，SiC粒径越大则复合材料表现出的热导率越 高，这一规律在$iC体积分数较低时（小于63%）更 无压熔渗用A1合金成分（质量分数）固定为 为明显，当$iC体积分数增加到67%，粒径的增大 A一12%Si8%Mg·熔渗在N2气氛中进行，熔渗温 不再伴随复合材料热导率的明显提高，图2同时还 度为1000℃，保温时间为90min.SiCp/Al复合材 显示，当SiC体积分数提高到67%时，复合材料的
零件的近净成形且生产成本较低生产效率较 高［5］． 为了满足不同封装领域对材料多方面的性能要 求需要对复合材料的性能进行合理的设计．高体 积分数 SiCp／Al 复合材料的性能受到增强体 SiC 颗 粒的特性如 SiC 粒径大小和体积分数以及基体合 金的成分等因素的综合影响．本文将重点研究 SiC 颗粒特性对所制备 SiCp／Al 复合材料的热物理性能 如热膨胀系数与热导率的影响规律为最终合理设 计复合材料的性能提供理论和技术基础． 1 实验过程 实验所用 SiC 粉末为市售绿色α－SiC主要采 用五种不同粒径的 SiC 粉末大小分别为14μm （W14）、28μm （W28）、40μm （W40）、63μm （W63） 及80μm （W80）．以 W14号粉末为基础将其他四 种粒度的 SiC 粉末分别以3∶2的质量比与其混合 然后与石蜡基粘结剂进行混炼制成注射成形喂料． 通过对不同喂料的流变性能研究可以确定四种组 合粉末在喂料中的最大体积分数分别可以达到 59％（W28／W14）63％ （W40／W14）67％ （W63／ W14）和68％（W80／W14）．为了便于讨论 SiC 颗粒 大小以及体积分数对复合材料性能的影响规律实 验共分成五组如表1所示． 表1 具有不同 SiC 粒度级配和体积分数的复合材料的密度和孔 隙率 Table1 Density and porosity of the composites with different particle sizes and volume fractions of SiC 组别 SiC 粒度 级配 体积分数／ ％ 密度／ （g·cm －3） 孔隙率／ ％ Ⅰ W14 53 2∙81 5∙3 W28／W14 59 2∙91 2∙0 Ⅱ W40／W14 59 2∙94 1∙2 W63／W14 59 2∙95 ＜1 W80／W14 59 2∙95 ＜1 W40／W14 63 2∙96 1∙2 Ⅲ W63／W14 63 2∙97 ＜1 W80／W14 63 2∙98 ＜1 Ⅳ W63／W14 67 3∙01 ＜1 W80／W14 67 3∙00 ＜1 Ⅴ W80／W14 68 3∙01 ＜1 无压熔渗用 Al 合金成分（质量分数）固定为 Al－12％Si－8％Mg．熔渗在 N2 气氛中进行熔渗温 度为1000℃保温时间为90min．SiCp／Al 复合材 料的热膨胀系数的测试在德国耐驰公司 NETZSCH DIL402C 热膨胀仪上进行．热膨胀系数的测试温 度范 围 为 25～400 ℃标 准 测 试 试 样 尺 寸 为 ●5mm×25mm升温速率3℃·min －1氮气气氛保 护．采用德国耐驰公司 NETZSCH LFA427激光热 导仪测量复合材料的热扩散系数然后通过计算得 到复合材料的热导率． 2 结果与讨论 2∙1 复合材料的显微组织与致密度 图1为采用无压熔渗制备的 SiCp／Al 复合材料 （63％W40／W14）典型的光学组织．从图中可以看 出：SiC 颗粒分布比较均匀并且致密度比较高没 用明显的孔洞缺陷；较小的 W14SiC 颗粒可以弥散 而均匀地分布在 W40大颗粒的周围没有明显的颗 粒团聚． 图1 无压熔渗制备 SiCp／Al 复合材料（63％W40／W14）典型的 光学组织 Fig．1 Microstructure of SiCp／Al composites （63％W40／W14） prepared by pressureless infiltration 通过对比表1中所制备的几种复合材料的密度 可以发现：采用单一 W14粒径所制备的复合材料致 密度较低其孔隙率约为5％；而与几种较大的 SiC 颗粒混合后其复合材料的致密度明显提高孔隙率 低于1∙5％．这主要是由于颗粒粒径较小时在预成 形坯中所形成孔隙的孔径也较小使得 Al 合金熔渗 进颗粒之间孔隙时所受的阻力增大从而导致熔渗 复合材料的致密度有所降低． 2∙2 复合材料的热导率 图2列出了所制备的几种 SiCp／Al 复合材料的 室温热导率．由图2可知采用相同的 SiC 体积分 数时SiC 粒径越大则复合材料表现出的热导率越 高这一规律在 SiC 体积分数较低时（小于63％）更 为明显．当 SiC 体积分数增加到67％粒径的增大 不再伴随复合材料热导率的明显提高．图2同时还 显示当 SiC 体积分数提高到67％时复合材料的 第12期 叶 斌等： SiC 颗粒特性对无压熔渗 SiCp／Al 复合材料热物理性能的影响 ·1411·
.1412 北京科技大学学报 第30卷 热导率达到190WmK-1,与传统封装材料WCu 颗粒粒径对SiCp/Al复合材料热膨胀性能的影响目 合金的热导率(180~200WmK-1)非常接近，能 前仍存在一定争议.杨梅君等0]发现随着SiC颗 够很好地满足电子封装对材料热导率的要求。另 粒粒径的增大，复合材料的CTE变小.分析其原 外，由图2还可以观察到，经过相同粒度级配后的 因，认为随着SC颗粒尺寸增大，基体和增强颗粒间 SiC颗粒，随着体积分数的增加，复合材料的热导率 膨胀量差值增大，造成基体的内压应力增大，限制基 也有所增加，同样，当体积分数较高时，这种增加的 体伸出，从而导致膨胀系数减小.在相同的体积分 规律也不再显著， 数下，如果颗粒较细，则颗粒间距较小；同时，SC颗 220Sic 粒呈不规则多边形，有较多的尖角，严重阻碍位错回 200 WRO14 80/14W6314W80/14 复，使得基体仍保留较高密度的位错，相应的内应力 180 W63/14 W40/14 较大，导致材料中原子能量变高，在同等温度下原子 W80/14 W63/14 活动能力相应更高，因此其热膨胀系数更大， W40/14 140 4 120 9 100 53 59 6 67 68 SiC体积分数% 8 --W14/W28 -W14/W40 +W14/W63 图2具有不同SiC粒度级配和SiC体积分数的复合材料的热导 ◆W14/W80 举 SiC体积分数：59% Fig.2 Thermal conductivity of SiCp/Al composites with different 6 100150200250300350400 particle size gradations and volume fractions of SiC 温度/℃ 物质的热传导就是能量的传送过程，在颗粒增 图3不同SiC粒度级配对的复合材料的热膨胀系数 强铝基复合材料中，基体为铝合金，主要依靠自由电 Fig.3 Effect of SiC particle size gradation on the CTE of the com 子传递热量；增强体为非金属颗粒，主要依靠声子传 posites 热[)，当它们组成复合材料时，声子和电子对热 图4为25~100℃温度范围内不同SiC颗粒体 传导共同起作用.同时，由于$iC颗粒的体积分数 积分数复合材料的CTE,可以发现，随着SiC体积 较高，它的加入在材料中引起大量界面，对电子和声 分数的增加，复合材料的CTE明显降低，当SiC含 子运动具有一定的散射作用，因此会阻碍热传导的 量的体积分数增加到67%后，热膨胀系数只有 进行 5.6X10-6K-1,与Kovar合金的热膨胀系数(5.3× 由于颗粒越细，颗粒的比表面积越大，对界面热 10-6K-1)接近，能够很好地满足电子封装对材料 阻的影响也就越大，因此复合材料的导热性能也不 热膨胀系数性能的要求 断被削弱，同时，由于复合材料的增强体为非金属 22 SC颗粒，通常情况下其导热主要靠声子机制.声子 0 ROM模型 和自由电子传输热能的能力会因几何界面散射而减 ￥1 Kerner模型 16 -Turner模型 弱，从而导致复合材料的导热能力降低；复合材料中 14 。实验值 颗粒尺寸越小、粒度越细，则提供的散射面积越大， 12 10 声子之间相互碰撞的几率增加，自由程大大减小，复 wa-- 合材料的导热性能也降低得越明显， 2.3复合材料的热膨胀系数(CTE) 20406080 100 SiC体积分数/% 图3为相同SiC体积分数(59%)条件下，具有 不同粒度级配复合材料的热膨胀系数随温度的变化 图4SiCp/AI复合材料CTE的实验值与计算值比较 曲线，CTE并没有随着粒径的变化而有显著的改 Fig.4 Comparison of the experimental CTE data with calculated values of SiCp/Al composites 变，这说明CTE对SiC粒径的大小变化不太敏感， 这与Ma8]和Arpon等的研究结果是一致的，但 在SiCp/Al复合材料中，材料的热膨胀主要受 是，在SiC增强体颗粒体积分数一定的情况下，SiC A1基体及SiC颗粒膨胀行为的共同影响，当温度升
热导率达到190W·m·K －1与传统封装材料 W－Cu 合金的热导率（180～200W·m·K －1）非常接近能 够很好地满足电子封装对材料热导率的要求．另 外由图2还可以观察到经过相同粒度级配后的 SiC 颗粒随着体积分数的增加复合材料的热导率 也有所增加．同样当体积分数较高时这种增加的 规律也不再显著． 图2 具有不同 SiC 粒度级配和 SiC 体积分数的复合材料的热导 率 Fig．2 Thermal conductivity of SiCp／Al composites with different particle size gradations and volume fractions of SiC 物质的热传导就是能量的传送过程．在颗粒增 强铝基复合材料中基体为铝合金主要依靠自由电 子传递热量；增强体为非金属颗粒主要依靠声子传 热［6－7］．当它们组成复合材料时声子和电子对热 传导共同起作用．同时由于 SiC 颗粒的体积分数 较高它的加入在材料中引起大量界面对电子和声 子运动具有一定的散射作用因此会阻碍热传导的 进行． 由于颗粒越细颗粒的比表面积越大对界面热 阻的影响也就越大因此复合材料的导热性能也不 断被削弱．同时由于复合材料的增强体为非金属 SiC 颗粒通常情况下其导热主要靠声子机制．声子 和自由电子传输热能的能力会因几何界面散射而减 弱从而导致复合材料的导热能力降低；复合材料中 颗粒尺寸越小、粒度越细则提供的散射面积越大 声子之间相互碰撞的几率增加自由程大大减小复 合材料的导热性能也降低得越明显． 2∙3 复合材料的热膨胀系数（CTE） 图3为相同 SiC 体积分数（59％）条件下具有 不同粒度级配复合材料的热膨胀系数随温度的变化 曲线．CTE 并没有随着粒径的变化而有显著的改 变这说明 CTE 对 SiC 粒径的大小变化不太敏感 这与 Ma ［8］和 Arpon 等［9］的研究结果是一致的．但 是在 SiC 增强体颗粒体积分数一定的情况下SiC 颗粒粒径对 SiCp／Al 复合材料热膨胀性能的影响目 前仍存在一定争议．杨梅君等［10］ 发现随着 SiC 颗 粒粒径的增大复合材料的 CTE 变小．分析其原 因认为随着 SiC 颗粒尺寸增大基体和增强颗粒间 膨胀量差值增大造成基体的内压应力增大限制基 体伸出从而导致膨胀系数减小．在相同的体积分 数下如果颗粒较细则颗粒间距较小；同时SiC 颗 粒呈不规则多边形有较多的尖角严重阻碍位错回 复使得基体仍保留较高密度的位错相应的内应力 较大导致材料中原子能量变高在同等温度下原子 活动能力相应更高因此其热膨胀系数更大． 图3 不同 SiC 粒度级配对的复合材料的热膨胀系数 Fig．3 Effect of SiC particle size gradation on the CTE of the composites 图4为25～100℃温度范围内不同 SiC 颗粒体 积分数复合材料的 CTE．可以发现随着 SiC 体积 分数的增加复合材料的 CTE 明显降低．当 SiC 含 量的体积分数增加到 67％ 后热膨胀系数只有 5∙6×10－6 K －1与 Kovar 合金的热膨胀系数（5∙3× 10－6 K －1）接近能够很好地满足电子封装对材料 热膨胀系数性能的要求． 图4 SiCp／Al 复合材料 CTE 的实验值与计算值比较 Fig．4 Comparison of the experimental CTE data with calculated values of SiCp／Al composites 在 SiCp／Al 复合材料中材料的热膨胀主要受 Al 基体及 SiC 颗粒膨胀行为的共同影响．当温度升 ·1412· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第12期 叶斌等：SiC颗粒特性对无压熔渗SiCp/A1复合材料热物理性能的影响 ·1413 高时，Al基体迅速膨胀，SC颗粒的热膨胀系数较 terials Science and Engineering in 2002.Beijing:Metallurgical 低，对A1的膨胀起到一定的限制作用；因此随着 Industry Press,2003:1080 (崔岩.无压渗透法制备高性能SiC/A1电子封装复合材料∥ SC含量的增加，其对Al基体膨胀的限制作用增 2002年材料科学与工程新进展.北京：治金工业出版社， 大，导致复合材料热膨胀系数下降，可见，要得到热 2003,1080) 膨张系数较低的复合材料，应适当增加SiC颗粒的 [2]Cui Y.Silicon carbide particles reinforced aluminum composite 体积分数 materials for aerospace applications.Mater Eng.2002(6):3 针对金属基复合材料热膨胀行为建立理论模 (崔岩.碳化硅颗粒增强铝基复合材料的航空航天应用.材料工 型，对于研究SiCp/Al复合材料热膨胀行为也有较 程，2002(6)：3) [3]Burke JT.A new infiltration process for the fabrication of metal 高的参考价值，目前较为经典的理论模型分别为 matrix composites.SAMPE 0.1989.34:817 ROM模型、Turner模型12]和Kerner模型3). [4]Hemambar C.Srinivasa B.Jayaram V.AlSiC electronic pack- 从图4中SiCp/Al复合材料热膨胀系数的测试值与 ages with controlled thermal expansion coefficient by a new 各模型计算值之间的比较可以看出，实验结果与 method of pressureless infiltration.Mater Manuf Processes, Turner模型比较接近，这与Lee14等采用压力熔渗 2001,16(6):779 [5]Ren S B.Ye B.Qu X H.et al.Preparation and performance of 法制备高体积分数SiCp/A1l复合材料的实验结果是 complex-shape SiCp/Al composite parts.Chin J Nonferrous Met, 一致的.而张强]等采用挤压铸造制备了70% 2005(11):1722 SiCp/Al复合材料，对其进行CTE分析发现与 (任淑彬，叶斌，曲选辉，等.复杂形状SiC即/Al复合材料零件 Kerner模型比较接近 的制备与性能.中国有色金属学报，2005(11)：1722) [6]Hasselman D P,Lloyd F J.Effective thermal conductivity of 3结论 composites with interfacial thermal barrier resistance.Compos Mater,1987,21(6):508 (1)采用粉末注射成形工艺制备SiC预成形坯 [7]Davis L C,Artz B E.Thermal conductivity of metal matrix com- 时，通过将粒径为14m(W14)的SiC粉末与其他 posites.J Appl Phys,1995.77 (10):4954 几种粒径较大的SiC粉末如28m(W28)、40m [8]Ma Y.Bi J,Liu Y X.et al.Effect of SiC particulate size on the (W40)、63m(W63)及80m(W80)进行搭配，可 properties and fracture behavior of SiCp/2024Al composites/ Proceedings of the Ninth International Conference of Composite 以实现SiC体积分数在53%~68%范围内进行变 Materials.Madrid.1993:448 化；复合材料的CTE(20~100℃)和热导率分别在 [9]Arpon R.Molina J M.Saravanan R A.Thermal expansion be- 7.8×10-6~5.4×10-6K-1和140~190WmK-1 havior of aluminum/SiC composites with bimodal particle dist ribu- 的范围内变化 tions.Acta Mater.2003,51(11):3145 (2)SiCp/Al复合材料的热导率随SiC粒径的 [10]Yang M J.SPS Sintering and Properties of SiCp/Al Compos- 增大以及体积分数的增加而增加，SiC粒径的大小 ites for Electronic Package [Dissertation].Wuhan:Wuhan Uni- versity of Technology.2006 对复合材料的热膨胀系数(CTE)没有显著的影响， (杨梅君.SiCp/Al电子封装复合材料的SPS饶结及性能研究 而SC体积分数对CTE的影响较大，CTE随着颗 [学位论文]，武汉：武汉理工大学，2006) 粒体积分数的增加而减小，CTE实验值与Turner [11]Geiger L.Jackson M.Low-expansion MMCs boost avionics. 模型比较接近， Adv Mater Processes.1989.136(7):23 (3)将63m(W63)SiC颗粒与14m(W14) [12]Turner P S.Thermal expansion stresses in reinforced plastics.J Res Natl Bureau Stand:1946,37(1/2):239 颗粒混合后，其体积分数可以达到67%，所制备复 [13]Kerner E H.The elastic and thermo-elastic properties of com 合材料的致密度高于99%，在25~100℃范围内平 posite media.Proc Phys Soc B,1956,69:808 均CTE为5.4×10-6K-1,热导率达190Wm· [14]Lee H S,Hong S H.Pressure infiltration casting process and K一1，可以很好地满足电子封装对材料热物理性能 thermophysical properties of high volume fraction SiCp/Al metal 的要求 matrix composites.Mater Sci Technol,2003.19(8):1057 [15]Zhang Q.Wu G H.Chen G Q.et al.Thermal expansion and 参考文献 mechanical properties of high reinforcement content SiCp/Al composites fabricated by squeeze casting technology.Compos A. [1]Cui Y.High performance SiC/Al composite materials prepared by 2003,34(11):1023 pressureless infiltration for electronic packaging//Progress in Ma
高时Al 基体迅速膨胀．SiC 颗粒的热膨胀系数较 低对 Al 的膨胀起到一定的限制作用；因此随着 SiC 含量的增加其对 Al 基体膨胀的限制作用增 大导致复合材料热膨胀系数下降．可见要得到热 膨胀系数较低的复合材料应适当增加 SiC 颗粒的 体积分数． 针对金属基复合材料热膨胀行为建立理论模 型对于研究 SiCp／Al 复合材料热膨胀行为也有较 高的参考价值．目前较为经典的理论模型分别为 ROM 模型［11］、Turner 模型［12］ 和 Kerner 模型［13］． 从图4中 SiCp／Al 复合材料热膨胀系数的测试值与 各模型计算值之间的比较可以看出实验结果与 Turner 模型比较接近这与 Lee ［14］等采用压力熔渗 法制备高体积分数 SiCp／Al 复合材料的实验结果是 一致的．而张强［15］ 等采用挤压铸造制备了70％ SiCp／Al 复 合 材 料对 其 进 行 CTE 分 析 发 现 与 Kerner 模型比较接近． 3 结论 （1） 采用粉末注射成形工艺制备 SiC 预成形坯 时通过将粒径为14μm （W14）的 SiC 粉末与其他 几种粒径较大的 SiC 粉末如28μm （W28）、40μm （W40）、63μm （W63）及80μm（W80）进行搭配可 以实现 SiC 体积分数在53％～68％范围内进行变 化；复合材料的 CTE（20～100℃）和热导率分别在 7∙8×10－6～5∙4×10－6 K －1和140～190W·m·K －1 的范围内变化． （2） SiCp／Al 复合材料的热导率随 SiC 粒径的 增大以及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 SiC 体积分数对 CTE 的影响较大．CTE 随着颗 粒体积分数的增加而减小CTE 实验值与 Turner 模型比较接近． （3） 将63μm （W63）SiC 颗粒与14μm （W14） 颗粒混合后其体积分数可以达到67％所制备复 合材料的致密度高于99％在25～100℃范围内平 均CTE 为5∙4×10－6 K －1热导率达190W·m· K －1可以很好地满足电子封装对材料热物理性能 的要求． 参 考 文 献 ［1］ Cui Y．High-performance SiC／Al composite materials prepared by pressureless infiltration for electronic packaging∥ Progress in Materials Science and Engineering in 2002．Beijing：Metallurgical Industry Press2003：1080 （崔岩．无压渗透法制备高性能 SiC／Al 电子封装复合材料∥ 2002年材料 科 学 与 工 程 新 进 展．北 京：冶 金 工 业 出 版 社 2003：1080） ［2］ Cui Y．Silicon carbide particles reinforced aluminum composite materials for aerospace applications．Mater Eng2002（6）：3 （崔岩．碳化硅颗粒增强铝基复合材料的航空航天应用．材料工 程2002（6）：3） ［3］ Burke J T．A new infiltration process for the fabrication of metal matrix composites．SA MPE Q198934：817 ［4］ Hemambar CSrinivasa BJayaram V．A-l SiC electronic packages with controlled thermal expansion coefficient by a new method of pressureless infiltration． Mater Manuf Processes 200116（6）：779 ［5］ Ren S BYe BQu X Het al．Preparation and performance of complex-shape SiCp／Al composite parts．Chin J Nonferrous Met 2005（11）：1722 （任淑彬叶斌曲选辉等．复杂形状 SiCp／Al 复合材料零件 的制备与性能．中国有色金属学报2005（11）：1722） ［6］ Hasselman D PLloyd F J．Effective thermal conductivity of composites with interfacial thermal barrier resistance．J Compos Mater198721（6）：508 ［7］ Davis L CArtz B E．Thermal conductivity of metal matrix composites．J Appl Phys199577（10）：4954 ［8］ Ma YBi JLiu Y Xet al．Effect of SiC particulate size on the properties and fracture behavior of SiCp／2024A1 composites ∥ Proceedings of the Ninth International Conference of Composite Materials．Madrid1993：448 ［9］ Arpon RMolina J MSaravanan R A．Thermal expansion behavior of aluminum／SiC composites with bimodal particle distributions．Acta Mater200351（11）：3145 ［10］ Yang M J．SPS Sintering and Properties of SiCp／Al Composites for Electronic Package ［Dissertation］．Wuhan：Wuhan University of Technology2006 （杨梅君．SiCp／Al 电子封装复合材料的 SPS 烧结及性能研究 ［学位论文］．武汉：武汉理工大学2006） ［11］ Geiger LJackson M．Low-expansion MMCs boost avionics． A dv Mater Processes1989136（7）：23 ［12］ Turner P S．Thermal expansion stresses in reinforced plastics．J Res Natl Bureau Stand194637（1／2）：239 ［13］ Kerner E H．The elastic and thermo-elastic properties of composite media．Proc Phys Soc B195669：808 ［14］ Lee H SHong S H．Pressure infiltration casting process and thermophysical properties of high volume fraction SiCp／Al metal matrix composites．Mater Sci Technol200319（8）：1057 ［15］ Zhang QWu G HChen G Qet al．Thermal expansion and mechanical properties of high reinforcement content SiCp／Al composites fabricated by squeeze casting technology．Compos A 200334（11）：1023 第12期 叶 斌等： SiC 颗粒特性对无压熔渗 SiCp／Al 复合材料热物理性能的影响 ·1413·