區(qū)域微結(jié)構(gòu)SiC-Al復(fù)合材料制備及熱性能研究.pdf

1、SiC/Al復(fù)合材料具有優(yōu)異的導(dǎo)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(lǐng)域的應(yīng)用備受青睞。此類復(fù)合材料的導(dǎo)熱率和熱膨脹系數(shù)主要決定于顆粒體積分?jǐn)?shù)，且熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)均與體積分?jǐn)?shù)成反比。本論文以降低SiC/Al復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的同時(shí)保證較高導(dǎo)熱率為目標(biāo)，建立2D模型模擬預(yù)測顆粒排布微結(jié)構(gòu)與其熱性能的關(guān)系，通過微結(jié)構(gòu)的控制來實(shí)現(xiàn)SiC/Al復(fù)合材料的高導(dǎo)熱和低膨脹性能。
　　為了建立顆粒排列微結(jié)構(gòu)與SiC/Al復(fù)合

2、材料熱性能的關(guān)系，首先對復(fù)合材料的熱性能進(jìn)行模擬，開發(fā)更接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果的性能預(yù)測模型。通過有限元模型與經(jīng)典熱性能預(yù)測模型的對比可以看出，基于真實(shí)微觀結(jié)構(gòu)建立的有限元模型模擬結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)值。網(wǎng)格尺寸為顆粒粒徑的1/50時(shí)，在滿足有限元模擬精度1%的同時(shí)，減少了計(jì)算量。
　　根據(jù)導(dǎo)熱機(jī)理和熱膨脹機(jī)理設(shè)計(jì)制備了體積分?jǐn)?shù)為60±1%的球形團(tuán)簇微結(jié)構(gòu)SiC/Al復(fù)合材料。球形團(tuán)簇直徑為300μm且內(nèi)部顆粒體積分?jǐn)?shù)為65%時(shí)，復(fù)合材料具有最優(yōu)

3、的導(dǎo)熱率和熱膨脹系數(shù)。其導(dǎo)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?jǐn)?shù)為63%均勻結(jié)構(gòu)SiC/Al復(fù)合材料的性能相近（8.5±0.5 ppm/K），但導(dǎo)熱率提高了22%（180±6 W/m·K）。性能改善的主要原因?yàn)榍蛐螆F(tuán)簇結(jié)構(gòu)提高了顆粒間的熱流密度從而使復(fù)合材料整體導(dǎo)熱率增大；團(tuán)簇微結(jié)構(gòu)之間的相互作用使得熱膨脹系數(shù)減小。
　　為了進(jìn)一步提高復(fù)合材料的熱性能，設(shè)計(jì)制備了

4、由兩種不同排列微結(jié)構(gòu)組成的層狀復(fù)合材料。平行層狀方向的導(dǎo)熱率達(dá)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(dǎo)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(tuán)簇微結(jié)構(gòu)相比，在平行層狀方向復(fù)合材料的導(dǎo)熱率有了進(jìn)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(dǎo)熱略微下降、熱膨脹系數(shù)增加。這種微結(jié)構(gòu)復(fù)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(jié)構(gòu)中的顆粒協(xié)