D0I:10.13374/j.issm1001-053x.2006.03.014 第28卷第3期 北京科技大学学报 Vol.28 No.3 2006年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.2006 无压浸渗法制备高体分比SiCp/AI 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，新金属材料国家重点实验室，北京100083 摘要采用粉末注射戒形/无压浸渗法成功制备出了SC体积分数为63%的SCp/A1复合材料. 重点研究了主要工艺参数对SiC骨架及复合材料性能的影响规律.研究表明，采用粉末注射成形 制备的SiC骨架经1100℃预烧后，仍具有很高的开口孔隙率，达到总孔隙率的97.9%.SiC颗粒经 高温氧化处理后所生成的SO2薄膜可明显改善铝合金熔液与SC颗粒之间的润湿性，显著提高复 合材料的密度.通过对工艺参数的优化可使铝液较好地润湿SC骨架，获得最高相对密度可超过 97%的复合材料. 关键词SCp/AI复合材料；粉末注射成形；无压漫渗；性能 分类号TB331 碳化硅颗粒增强铝基复合材料(SiCp/Al)由 制备SiC骨架的方法主要是模压法.但模压 于具有成本低、制备工艺灵活、热物理性能优异及 法易造成骨架密度不均匀，而且不能直接制备形 可设计性等许多独特的优点，在电子封装、热控 状复杂的零件、效率较低.本文提出一种新的制 等方面得到广泛应用14].随着电子技术的飞速 备工艺—一粉末注射成形/无压浸渗一来制备 发展，对电子封装材料的要求日益提高，传统的电 高体分比SiCp/Al复合材料.采用粉末注射成形 子封装材料，如Kovar合金、W-Cu和Mo-Cu材 工艺制备SiC骨架不仅能高效地制备出具有近终 料、Be-BeO复合材料等，已无法满足电子封装综 形状和较高尺寸精度的SC骨架，而且所制备的 合性能的要求56].高体分比（体积分数为60% SiC骨架密度均匀，最终可获得具有性能优异的 ~70%)SiCp/A1不仅具有优异的导热性和较小 近终形零件，从而最大限度地避免了后续很困难 的热膨胀系数，同时它还具有弹性模量高、强度 的机加工，因此，采用粉末注射成形/无压浸渗技 高、耐磨性好等特点，是一种优异的电子封装材料术来制备高体分比SiC/1复合材料具有很好的 和精密设备的结构材料.另外，其重量轻使其在 应用前景 便携式电子设备和航空航天领域具有独特的优 势. 1实验过程 SiCp/Al复合材料的制备方法较多，但大部 1.1SiC骨架的制备 分是用来制备体分比结构材料.目前，制备高体 实验所用SiC增强材料为普通市售绿色的 分比SiCp/Al复合材料的方法主要有传统粉末冶 SiC粉末(~20um).为了改善Al与SiC粉末之 金法和A1液浸渗法[7-8]，传统的粉末冶金法工艺 间的润湿性，首先将SiC粉末在800℃下于空气 简单，可以灵活地选择基体合金成分和增强体类 中氧化6h,以除去SiC粉末表面的杂质，并生成 型，材料性能的可设计范围较大，但该方法制备 一层SiO2膜.基体合金为熔制的Al-Mg-Si合 的SiCp/AI复合材料易产生密度不均匀，零件的 金，其中Mg的含量占1%~10%（质量分数，下 形状复杂程度也受到很大的限制；另外，复合材料 同)，Si占5%~10%.粉末注射成形时所用有机 中SiCp的最大体积分数仅为55%左右，因此，现 粘结剂为本课题组专利产品一石蜡基多聚合物 在普遍采用A1液浸渗法来制备高体分比的 组元粘结剂，此粘结剂具有流动性和保形性好、易 SiCp/Al复合材料. 脱除等优点 收稿日期：2004-12-15修回日期：2005-04-08 制备SiC骨架时，首先将经氧化处理后的SiC 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.50274014)和国家 粉末与粘结剂按63%装载量均匀混合制成喂料 “973计划”资助项目(No.TG2000067203) 后，然后通过注射成形制得SiC素坯.最后，SiC 作者简介：叶城(1965一)，男，博士研究生第 卷 第 期 2 3 8 年 月 2 3 6 0 0 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u n r a l o n f U i “ v e y t i o f S e i n 。 沈 a e T d e n h e o l o g y B e n 幼 g i V o l . N 2 8 o . 3 M 盯 。 2 6 0 0 / 无压浸渗法制备 高体分 比 p s C i l A 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 , 新金属 材料国家重 点实验室 , 北京 1() o 0 8 3 摘 要 采用粉末注射成形 /无压浸渗法成功制备 出了 is c 体积分数为 63 % 的 is C p /lA 复合材料 . 重点研究了主要工艺参数对 SI C 骨架及复合材料性能 的影响规律 . 研究表 明 , 采用粉末 注射成形 制备的 SI C 骨架经 1 1 0 0 ℃ 预烧后 , 仍具有很高的开 口孔 隙率 , 达到 总孔隙率的 97 . 9 % . SI C 颗粒经 高温氧化处理后所生成的 iS q 薄膜可 明显改善铝合金熔液与 SI C 颗 粒之 间的润 湿性 , 显著提高复 合材料的密度 . 通过 对工艺参数的优化可使铝液较 好地润湿 SI C 骨 架 , 获得 最高相对 密度可超过 97 % 的复合材料 . 关键词 is c p / lA 复合材料 ; 粉末注射成 形 ; 无压浸渗 ; 性能 分类号 T B 3 31 碳化硅 颗粒增 强 铝 基 复合材 料 ( iS c p / lA ) 由 于具有成本低 、 制备工艺灵活 、 热物理性能优异 及 可设 计性等许 多 独特的 优点 , 在 电子封 装 、 热控 等方 面得到 广 泛应 用 〔`一 随 着 电子技 术的 飞 速 发展 , 对 电子 封装材 料 的要求 日益 提高 , 传统 的 电 子封装材料 , 如 K o v a r 合金 、 W一 C u 和 M o 一 C u 材 料 、 B e 一 B e O 复合材 料等 , 已无法 满 足 电子封 装 综 合性 能的要 求呀 6〕 . 高体分 比 (体积 分数 为 60 % 一 7 0 % ) is c p / A I 不仅具 有优 异 的 导 热性 和 较 小 的热 膨 胀 系数 , 同 时 它还 具 有 弹 性 模量 高 、 强 度 高 、 耐磨性好等特点 , 是 一种优 异的 电子 封装 材料 和精密设 备的结构材料 . 另 外 , 其重 量 轻使 其 在 便携式 电子 设 备 和 航 空 航 天 领 域 具 有 独 特 的 优 势 . is C p / lA 复合材 料的 制备方 法 较 多 , 但大部 分是 用来 制 备体 分 比 结构 材 料 . 目前 , 制备 高 体 分比 is c p / lA 复合 材料的方法 主要 有传统粉 末冶 金法 和 lA 液浸渗法阶“ 〕 . 传统 的粉末冶金法 工 艺 简单 , 可 以灵 活地 选择基 体合金 成 分 和增强 体类 型 , 材料性能 的可设 计范 围较 大 . 但该 方 法 制备 的 is C p / A I 复合材 料 易 产生 密 度不 均 匀 , 零 件的 形 状复 杂程度也 受到很大的限制 ; 另外 , 复合材料 中 iS c p 的最大体积分 数仅为 5 % 左右 . 因此 , 现 在普 遍 采 用 lA 液 浸 渗 法 来制 备 高 体 分 比 的 SI C p / A I复合材料 . 收稿日期 : 2 0 0 4 一 1 2 一 1 5 修回 B 期 : 2 0 0 5 一 04 一 0 5 基金项 目 : 国家 自然 科学基 金资助 项 目 ( N o . 5 0 2 7 4 0 1 4 ) 和 国家 “ 97 3 计划 ” 资助项目 ( N o . T 2G 00 0 0 6 7 2 0 3 ) 作者简介 : 叶斌 ( 1 9 6 5一 ) , 男 , 博士研究生 制备 SI C 骨架的方法 主要 是 模压 法 . 但模压 法 易造成骨架密度不 均 匀 , 而且 不 能直 接制备形 状复 杂 的零 件 、 效率较低 . 本文 提 出一 种 新 的制 备 工艺— 粉 末 注射 成 形 / 无 压 浸渗— 来 制备 高体分 比 iS c p / lA 复合材 料 . 采 用粉 末注 射成形 工艺制备 SI C 骨架不 仅能高效地 制备出具 有近终 形状和 较高尺 寸精 度 的 SI C 骨架 , 而 且 所 制备 的 SI C 骨架密度均 匀 , 最 终可 获得 具 有性 能 优异 的 近终形零 件 , 从 而 最大 限 度 地避 免 了后 续 很 困难 的机 加工 . 因此 , 采用 粉末注射成 形 /无 压浸 渗技 术来制备高体 分 比 is C p / lA 复合 材料具 有很 好的 应用前景 . 1 实验过程 1 · 1 SI C 骨架的制备 实验 所 用 is C 增 强材 料 为普 通 市 售 绿 色 的 SI C 粉末 ( 一 20 仁m ) . 为 了改善 iA 与 SI C 粉 末之 间的 润湿性 , 首先将 SI C 粉 末 在 8 0 ℃ 下 于 空 气 中氧化 6 h , 以 除去 SI C 粉 末表面 的 杂质 , 并 生成 一层 iS q 膜 . 基 体合金 为熔 制的 lA 一 M g 一 iS 合 金 . 其中 M g 的含 量 占 1 % 一 10 % (质量 分数 , 下 同 ) , iS 占 5 % 一 1 0 % . 粉末 注射 成形 时所用 有机 粘结剂为本课 题组专 利产 品— 石蜡基 多聚合物 组元 粘结剂 , 此粘结 剂具有流动性和保形性好 、 易 脱除 等优 点 . 制备 SI C 骨架时 , 首先 将经氧 化处理后 的 SI C 粉末与粘结剂按 63 % 装 载量 均 匀混 合制成 喂 料 后 , 然后通 过 注 射 成 形 制 得 SI C 素 坯 . 最 后 , SI C DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2006. 03. 014