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·