鋁硅功能梯度材料的粉末冶金制備工藝及性能研究.pdf

1、鋁硅合金作為新一代電子封裝材料,具有低密度、高熱導(dǎo)、低熱膨脹系數(shù)、良好的加工焊接性,有望在航天航空、電子科技中得到廣泛應(yīng)用。近些年來,隨著Sip/Al電子封裝材料在航天航空等領(lǐng)域的應(yīng)用研究不斷深入,但其研究主要偏重其熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率及強(qiáng)度等熱力學(xué)性能,而忽略其氣密性及后續(xù)的機(jī)加工和封焊問題。針對(duì)上述問題,提出制備鋁硅功能梯度材料(FGM)。
　　論文通過比較各種制備功能梯度材料的方法,提出采用粉末冶金熱壓法制備鋁硅功能梯度材料(

2、FGM)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)成分設(shè)計(jì),系統(tǒng)研究了熱壓溫度、壓力以及燒結(jié)溫度、時(shí)間對(duì)梯度材料性能的影響,并通過理論模型計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)比分析梯度材料的熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)性能與單一組分鋁硅復(fù)合材料的性能差異。論文還采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)鋁硅梯度材料的熱導(dǎo)率、熱應(yīng)力進(jìn)行模擬,探究其熱導(dǎo)率和熱應(yīng)力隨硅含量增加、梯度結(jié)構(gòu)的變化情況,取得了以下成果:
　　(1)經(jīng)熱壓(HP)燒結(jié)及熱等靜壓(HIP)致密化,材料密度約為2.4～2.5g/cm3,

3、增強(qiáng)體顆粒細(xì)小,各層含量分布均勻,熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率分別11.7×10-6/K,121W/m·K,抗彎強(qiáng)度為228MPa,各層硬度分別為132、151和170HB,滿足電子封裝要求。
　　(2)隨著燒結(jié)時(shí)間的延長和燒結(jié)溫度的增加,鋁硅梯度材料的顆粒長大,部分區(qū)域鋁液的流失,出現(xiàn)成分偏析,密度下降,降低材料的各項(xiàng)性能。
　　(3)通過多個(gè)理論模型的計(jì)算分別得到鋁硅復(fù)合材料的熱導(dǎo)率值和熱膨脹系數(shù)隨著硅含量的增加而降低。測(cè)試比較得

4、到Al-Si五層梯度材料(Al-40Si/Al-50Si/Al-65Si/Al-50Si/Al-40Si)的熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)與Al-50Si的性能相近。
　　(4)利用ANSYS有限元分析軟件,建立Al-Si平面多顆粒隨機(jī)分布模型及三層、五層隨機(jī)分布梯度模型,研究Sip/Al復(fù)合材料增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)和基體對(duì)復(fù)合材料的熱導(dǎo)率的影響。結(jié)果表明,理論模型計(jì)算結(jié)果與有限元分析結(jié)果相一致,Sip/Al復(fù)合材料的熱導(dǎo)率隨體積分?jǐn)?shù)增加而下降,A

5、l基體復(fù)合材熱導(dǎo)率高于Al-12Si復(fù)合材料熱導(dǎo)率,而Al-Si梯度材料的宏觀熱導(dǎo)率略低于模擬值。
　　(5)以Al-50Si、Al-Si三層梯度材料(Al-40Si/Al-50Si/Al-65Si)和Al-Si五層梯度材料(Al-40Si/Al-50Si/Al-65Si/Al-50Si/Al-40Si)為分析對(duì)象,模擬并比較在工作環(huán)境中溫度場(chǎng)分布和熱應(yīng)力分布,較Al-Si三層梯度材料而言,Al-Si五層梯度材料熱應(yīng)力緩和,形變較