區(qū)域微結構SiC-Al復合材料制備及熱性能研究.pdf

1、SiC/Al復合材料具有優(yōu)異的導熱性能、較低的膨脹系數(shù)和較高的比剛度，在電子封裝材料領域的應用備受青睞。此類復合材料的導熱率和熱膨脹系數(shù)主要決定于顆粒體積分數(shù)，且熱膨脹系數(shù)和導熱系數(shù)均與體積分數(shù)成反比。本論文以降低SiC/Al復合材料熱膨脹系數(shù)的同時保證較高導熱率為目標，建立2D模型模擬預測顆粒排布微結構與其熱性能的關系，通過微結構的控制來實現(xiàn)SiC/Al復合材料的高導熱和低膨脹性能。
　　為了建立顆粒排列微結構與SiC/Al復合

2、材料熱性能的關系，首先對復合材料的熱性能進行模擬，開發(fā)更接近實驗結果的性能預測模型。通過有限元模型與經(jīng)典熱性能預測模型的對比可以看出，基于真實微觀結構建立的有限元模型模擬結果更接近實驗值。網(wǎng)格尺寸為顆粒粒徑的1/50時，在滿足有限元模擬精度1%的同時，減少了計算量。
　　根據(jù)導熱機理和熱膨脹機理設計制備了體積分數(shù)為60±1%的球形團簇微結構SiC/Al復合材料。球形團簇直徑為300μm且內(nèi)部顆粒體積分數(shù)為65%時，復合材料具有最優(yōu)

3、的導熱率和熱膨脹系數(shù)。其導熱率和熱膨脹系數(shù)分別為222±5 W/m·K、8.6±0.3 ppm/K。其熱膨脹系數(shù)與目前工業(yè)用體積分數(shù)為63%均勻結構SiC/Al復合材料的性能相近（8.5±0.5 ppm/K），但導熱率提高了22%（180±6 W/m·K）。性能改善的主要原因為球形團簇結構提高了顆粒間的熱流密度從而使復合材料整體導熱率增大；團簇微結構之間的相互作用使得熱膨脹系數(shù)減小。
　　為了進一步提高復合材料的熱性能，設計制備了

4、由兩種不同排列微結構組成的層狀復合材料。平行層狀方向的導熱率達到了231±5 W/m·K，熱膨脹系數(shù)為8.5±0.3 ppm/K。垂直層狀方向的導熱率為209±5 W/m·K，熱膨脹系數(shù)為10.8±0.5 ppm/K。與球形團簇微結構相比，在平行層狀方向復合材料的導熱率有了進一步的提高，熱膨脹系數(shù)仍保持相同的水平；在垂直方向上導熱略微下降、熱膨脹系數(shù)增加。這種微結構復合材料存在各向異性，平行層狀方向?qū)嵩黾拥脑蚴怯捎诓煌Y構中的顆粒協(xié)