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.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