Si3N4-2024Al鋁基復(fù)合材料釬焊連接工藝及性能研究.pdf

1、高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料因其重量輕、比強(qiáng)度高、比剛度高、熱膨脹系數(shù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)在輕質(zhì)電子封裝及熱控元件等領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景。但是,受連接技術(shù)的制約,高體積含量陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用受到限制。
　　本課題分別選用三種釬料連接Si3N4/2024Al鋁基復(fù)合材料,采用自制的Sn-Zn-Ti釬料對(duì)母材就行真空釬焊,采用Sn-Ag-Cu釬料連接表面化學(xué)鍍Ni和真空濺射沉積Cu層的Si3N4/2024Al鋁基復(fù)合材料,采用Al-

2、Si-Mg釬料連接表面濺射沉積Ti活性層后的Si3N4/2024Al鋁基復(fù)合材料,對(duì)用以上三種釬料用于Si3N4/2024Al鋁基復(fù)合材料的連接及其機(jī)理進(jìn)行了研究。
　　本文通過Sn-Zn釬料和Sn-Zn-Ti釬料在Si3N4/2024Al基復(fù)合材料表面的潤(rùn)濕試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)大量擴(kuò)散到Si3N4/2024Al鋁基復(fù)合材料中的Sn元素與Si3N4/2024Al鋁基復(fù)合材料之間可形成非常明顯的擴(kuò)散層,并結(jié)合楊氏方程和空洞理論分析了Si3N4

3、/2024Al基復(fù)合材料表面滲Sn行為的原理,得出真空中Zn的揮發(fā)和母材中第二相增強(qiáng)顆粒的存在是完成滲Sn行為的必要條件。采用Sn-Zn合金對(duì)Si3N4/2024Al復(fù)合材料在不同溫度和保溫時(shí)間下進(jìn)行的真空潤(rùn)濕試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):試驗(yàn)后的母材表面形成厚度較大的Sn擴(kuò)散層,并且隨著溫度的升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng),擴(kuò)散層厚度隨之增加,然而當(dāng)溫度低于330℃時(shí),母材表面無法形成Sn的擴(kuò)散。
　　本文研究了表面Sn化的Si3N4/2024Al基復(fù)合材料

4、與Cu焊接接頭的微觀組織及力學(xué)性能,并分析了其焊接機(jī)理。在采用自制的低溫Sn-Zn-Ti釬料釬焊連接Si3N4/2024Al鋁基復(fù)合材料時(shí),所得接頭在室溫下的抗剪強(qiáng)度為11.28MPa。采用Sn-Ag-Cu低溫釬料焊接母材時(shí),通過在母材表面化學(xué)鍍Ni和在其表面真空濺射Cu層兩種方式試驗(yàn)。其中用Sn-Ag-Cu釬料對(duì)濺射Cu后的復(fù)合材料進(jìn)行真空釬焊,得到冶金結(jié)合、組織致密的焊縫;接頭的最高剪切強(qiáng)度為9.15MPa,斷裂發(fā)生在靠近Cu層的復(fù)

5、合材料的表層。用Sn-Ag-Cu釬料對(duì)濺射Cu后的復(fù)合材料進(jìn)行回流焊試驗(yàn),中間層與Cu層生成η-Cu6Sn5,其中中間層與Cu層連接緊密、無空洞;接頭的剪切強(qiáng)度39.01MPa,斷裂發(fā)生在靠近Cu層的復(fù)合材料的表層。用Sn-Ag-Cu釬料對(duì)化學(xué)鎳的復(fù)合材料進(jìn)行真空釬焊最高剪切強(qiáng)度達(dá)45.03MPa,斷裂發(fā)生在靠近鎳層的Sn-Ag-Cu釬料的表層。采用Al-Si-Mg釬料釬焊表面濺射沉積有Ti活性層的Si3N4/2024Al鋁基復(fù)合材料時(shí)