·446· 北京科技大学学报 2006年第5期 2.3复合材料的显微组织 与基体AI合金分布均匀，组织致密，基本上观察 图4是经过无压熔渗所得到复合材料的光学 不到大的孔隙，采用排水法测得试样的相对密度 组织(a)和断口的SEM(b).从图中可以看出，SiC 为98.7%，孔隙率不到2%. (a) 30μm 20μm 图4复合材料的显微组织.(a光学组织：(b)断口SEM Fig.4 Microstructures of the composites:(a)optical micrograph;(b)SEM of fracture surface 图5是断口的XRD图谐.可以看出，复合材 数随温度的变化一方面与基体随温度的变化有 料中并不存在有害相AL,C,说明在实验温度下 关，另一方面与复合材料内部的应力也有密切的 Al与SiC没有发生界面反应.Al与SiC在温度高 关系，从熔渗温度冷却的过程中，SiC与AI的热 于800℃时易产生界面发应4A1+3SiC=Al4Cg+ 膨胀系数差异导致复合材料内部产生很大的应 3Si,所生成的Al,C3很容易在潮湿的空气中因受 力，而这种应力在进一步的升温过程中会释放，有 潮发生水解反应Al4C3+12H20=4A1(OH)3+ 助于热膨胀系数的增加].当应力释放完时，复 3CH,导致复合材料粉化，所以界面反应的发生 合材料的热膨胀系数将主要受基体本身的热膨胀 严重地影响材料的物理性能和耐蚀性能10].大 性质影响，而对于A-Si合金的热膨胀系数随温 量的研究结果表明，通过在Al中添加适量的Si 度的变化会受到Sⅰ在A1中的固溶度影响，在较 能够有效地阻止或减少界面反应的发生.从本实 高的温度下Si在AI中的固溶度随着温度的升高 验的结果看，在1000℃的条件下A1中含有13% 而增大，导致AI的点阵常数减小，热膨张系数降 Si时Al与SiC之间的反应就很难发生，这与已有 低，从而导致复合材料的热膨胀系数在较高的温 的研究结果0-是一致的， 度下随着温度的升高而降低3] ◆-SiCo-Al o-AIN●-Si 1.6 7.4 7.2 7.0 100 200 300 400 80 100 温度/℃ 28() 图6复合材料的热需胀曲线 困5复合材料断口的XRD谱 Flg.6 Coefficlent of thermal expansloncurve of the composlte Fig.5 XRD of the composite's fracture 实验测得的复合材料的热导率为170 2.4复合材料的热物理性能 W·m1K1.表2列出了几种封装材料的物理 图6为所制备复合材料的热膨胀系数(CTE) 特性14.对比可以看出，60%SiCp/A1的热膨胀 随温度的变化曲线.可以看出，在100~250℃范 系数与GaAs,BeO接近匹配，热导率与传统Cu 围内热膨胀系数随着温度的升高而升高，在250 (15%,质量分数)/W相当，是柯伐合金的10倍， ℃时出现一个最大值7.75×106K1;随着温度 在密度上接近A,不到Cu/W的1/5.综合比较 的进一步升高，热膨胀系数开始降低.热膨胀系 可以看出，高体积分数SiCp/A】有望替代传统的· 4 ` · 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 ` 年第 s 期 2 . 3 复合材料的显微组织 图 4 是经过 无压熔 渗所得到 复合材料的光学 组织 ( a) 和 断 口 的 SE M ( b) . 从 图中可以看出 , SI C 与基体 lA 合金分布均匀 , 组 织 致 密 , 基 本上 观 察 不到 大的孔隙 . 采用 排水法测 得试样的相对密度 为 9 8 . 7 % , 孔隙率不到 2 % . 图 4 泛合材料的显徽组织 . ( 。 )光学组织 ; ( b) 断口 s E M 瑰 . 4 M滋找川门 d ~ Or 血 阴甲目肠 : ( a) 明娜k 目 耐口吃口户 ; 《b) S E M or 角川叭 , 叮如理 图 5 是断口 的 x R D 图谱 . 可 以看出 , 复合材 料中并不存在有 害相 iA 4 q , 说明 在 实 验温 度 下 川 与 SI C 没有发生 界面反 应 . IA 与 SI C 在 温度高 于 8 0 0 ℃ 时易产生界 面发应 4 IA 十 3 SI C = A玩几 + 3 51 , 所生成的 A 玩几 很 容 易在潮湿 的空 气中因受 潮发 生水解 反 应 从3C + 12践。 = 4 A I ( o H ) 3 + 3C氏 , 导致复合材料粉 化 , 所 以 界面 反 应 的发生 严重 地 影 响材料的 物理性 能和 耐蚀 性 能[ `” ] . 大 量的研究 结果 表 明 , 通 过 在 1A 中添 加 适 量的 iS 能够有效地 阻止 或减少 界 面反 应 的发生 . 从本实 验的结果看 , 在 1 0 0 0 ℃ 的条件下 lA 中含 有 13 % iS 时 lA 与 iS c 之 间的反 应就很 难发生 , 这 与 已有 的研 究结果 [ ’ 。 一 川是 一致 的 . 数随温度的变化一 方面 与基 体 随温 度的变化有 关 , 另一方面 与复合材料 内部的应 力也有密切的 关系 . 从 熔渗温度冷却的过 程 中 , SI C 与 lA 的热 膨胀 系数差 异导 致复 合材 料内部产 生很 大的应 力 , 而 这种应力在进一 步的升温过 程 中会释放 , 有 助于 热膨 胀系数的增加〔` 2] . 当 应 力释放完时 , 复 合材料的热膨 胀系数将主要 受基体本身的热膨胀 性质影 响 , 而对 于 lA 一iS 合金 的热膨胀 系数随温 度的变化会 受到 iS 在 A I 中的固 溶度影 响 , 在较 高的温 度下 iS 在 lA 中的固溶度随 着温 度的升高 而增大 , 导致 lA 的点阵常数减小 , 热膨胀 系数降 低 , 从 而导致 复合材料的热膨胀系数在较高的温 度下 随着温 度 的升高而降低〔’ 3] . 一S IC a · A ! O · A IN 一 5 1 甲”! 稗 . 宁 0 1 0 . 口 翻姿渔族介吕宁。一降)/ O - 口舀下月` | 侧烦毕衡 J J 2 0 4 0 60 2 哪 O 立 . 80 二 温度 l℃ 圈 ` 盆合材料的热毖胀曲线 图 5 复合材料断口 的 X R D 谱 lF g . ` C倪 m e l e o t o f t卜份州. 1 e x ep nS l o l e u .yr o f t映 co m p 阅l t e F i忍 . 5 x R D o f the c o m 侧褚i t e , s far e t uer 2 . 4 复合材料的 热物理性能 图 6 为所制备复合材料的热膨 胀 系数( C T E ) 随 温度的变化曲线 . 可以看出 , 在 10 0 一 2 50 ℃ 范 围内热膨 胀 系数随 着温 度的升高 而 升高 , 在 2 50 ℃ 时出现 一 个最大值 7 . 75 义 10 “ “ K 一 ’ ; 随 着温 度 的进 一 步 升高 , 热 膨 胀 系数 开 始降低 . 热 膨 胀 系 实 验 测 得 的 复 合 材 料 的 热 导 率 为 1 70 W · m 一 ’ · K 一 ’ . 表 2 列 出 了 几 种封装材料的物理 特性〔’ 4 ] . 对 比可以 看出 , 60 % is c p / lA 的热 膨 胀 系数与 G aA s , B e O 接近 匹 配 , 热 导 率 与传统 C u ( 巧 % , 质量分数 ) / W 相 当 , 是 柯伐合金 的 10 倍 , 在 密度上接近 lA , 不 到 C u/ W 的 1/ 5 . 综 合比较 可 以 看 出 , 高体积分 数 SI C P/ IA 有望 替代传统 的