本發(fā)明涉及一種鋁基復(fù)合材料的制備方法。

背景技術(shù)：

1、sicp/al復(fù)合材料是sic顆粒以非固溶添加相的形式分散在連續(xù)的al基體中，其集成了鋁基體與碳化硅陶瓷顆粒的優(yōu)點(diǎn)，如高比強(qiáng)度、高比剛度、高熱導(dǎo)率和低熱膨脹系數(shù)等，被廣泛應(yīng)用在航空航天、電子封裝等領(lǐng)域。由于sicp的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)低于al基體的熱膨脹系數(shù)(23.5×10-6/k)，因此，在受熱過程中，鋁基體的膨脹會受到sicp的抑制，從而降低復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)，并且隨著sicp體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)逐漸降低。因此，可以通過改變sicp體積分?jǐn)?shù)來調(diào)節(jié)復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)，對于電子封裝材料一般選用高體分sicp/al復(fù)合材料。但是，由于sicp本身為脆性陶瓷顆粒，增加sicp體積分?jǐn)?shù)雖然會降低復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)，但會增大復(fù)合材料的脆性，使之變得難以加工。

2、攪拌鑄造法是通過攪拌使增強(qiáng)體顆粒均勻分散在金屬熔體中，然后凝固成型獲得復(fù)合材料的方法，該方法工藝簡單，但增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)一般要求在20％以下，且不適用于增強(qiáng)體顆粒尺寸較小的情況。壓力浸滲法是將液態(tài)金屬在外界壓力下浸滲到增強(qiáng)體預(yù)制體孔隙中，凝固成型得到復(fù)合材料的方法，但生產(chǎn)周期較長，制備工藝相對復(fù)雜，需嚴(yán)格控制sicp的含量和浸滲溫度，否則會降低鋁基溶液的流動性，并引起界面反應(yīng)的發(fā)生，生成al4c3，嚴(yán)重影響復(fù)合材料的性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的高體分sicp/al復(fù)合材料可加工性和熱膨脹系數(shù)難以匹配的問題，提出一種熱膨脹系數(shù)可調(diào)的碳化硅鋁基復(fù)合材料的制備方法，在sic顆粒中按不同比例混合負(fù)熱膨脹陶瓷，采用放電等離子燒結(jié)法制備熱膨脹系數(shù)可調(diào)的碳化硅鋁基復(fù)合材料，所得的復(fù)合材料可以向低熱膨脹系數(shù)設(shè)計(jì)，更好的滿足了電子封裝材料對于熱膨脹系數(shù)的要求。

2、本發(fā)明熱膨脹系數(shù)可調(diào)的碳化硅鋁基復(fù)合材料的制備方法按以下步驟進(jìn)行：

3、一、稱料：

4、稱取sic粉、負(fù)熱膨脹陶瓷粉和鋁合金粉為原料；

5、所述原料中鋁合金粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20％-50％，其余為sic粉與負(fù)熱膨脹陶瓷粉，sic粉和負(fù)熱膨脹陶瓷粉的質(zhì)量比為1:(0.01-0.5)；

6、二、混合粉末：

7、將步驟一稱取的原料混合并進(jìn)行球磨，得到混合粉末；

8、三、放電等離子燒結(jié)：

9、對步驟二得到的混合粉末進(jìn)行放電等離子燒結(jié)，得到熱膨脹系數(shù)可調(diào)的碳化硅鋁基復(fù)合材料；燒結(jié)過程中放電產(chǎn)生等離子體，使得顆粒表面活化，可以有效清除顆粒表面雜質(zhì)和吸附的氣體，提高復(fù)合材料致密度；

10、所述放電等離子燒結(jié)的工藝為：燒結(jié)溫度450-650℃，升溫速率10-30℃/min，在30-50mpa保壓10-30min，燒結(jié)完畢后冷卻至室溫；

11、四、材料的退火處理：

12、對步驟三得到的熱膨脹系數(shù)可調(diào)的碳化硅鋁基復(fù)合材料進(jìn)行退火處理，即完成；

13、所述退火處理的工藝為：在200-400℃保溫1-4h，然后冷卻至室溫后取出，冷卻速率為20-300℃/h。

14、本發(fā)明具備以下有益效果：

15、1、本發(fā)明在sicp/al復(fù)合材料中添加負(fù)熱膨脹陶瓷，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的進(jìn)一步降低，制備的熱膨脹系數(shù)可調(diào)的碳化硅鋁基復(fù)合材料的熱膨脹系達(dá)到4.5-9.0×10-6/k，與si、ge等芯片的熱膨脹系數(shù)更加接近，并且，制備的熱膨脹系數(shù)可調(diào)的碳化硅鋁基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率≥200w/m·k，更好的滿足了電子封裝材料對于熱膨脹系數(shù)的要求。

16、2、本發(fā)明采用放電等離子燒結(jié)法制備sicp/al復(fù)合材料，打破了傳統(tǒng)sicp/al復(fù)合材料制備方法的局限，具有加熱速度較快，組織結(jié)構(gòu)可控等優(yōu)點(diǎn)，可以在更短時(shí)間內(nèi)使復(fù)合材料達(dá)到較高的致密度，并對增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)沒有限制，從而擴(kuò)大復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)可調(diào)節(jié)范圍。

17、3、現(xiàn)有的復(fù)合材料冷卻過程中，由于增強(qiáng)體的熱膨脹系數(shù)低于鋁基體，因此，鋁基體的收縮會受到限制，承受殘余拉應(yīng)力的作用。本發(fā)明對制備的復(fù)合材料進(jìn)行退火態(tài)處理，減小了鋁基體的殘余應(yīng)力，從而有助于進(jìn)一步降低復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)。

18、4、本發(fā)明在制備碳化硅鋁基復(fù)合材料過程中加入負(fù)熱膨脹陶瓷，負(fù)熱膨脹陶瓷隨著溫度升高而體積縮小，有著與常規(guī)材料熱脹冷縮相反的屬性，在增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)不變的情況下，能夠更好的調(diào)節(jié)sicp/al復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)，且保證復(fù)合材料的可加工性，實(shí)現(xiàn)sicp/al復(fù)合材料高熱導(dǎo)、低熱膨脹系數(shù)和可加工性的良好匹配。

19、5、本發(fā)明提供了一種熱膨脹系數(shù)可調(diào)的碳化硅鋁基復(fù)合材料及其制備方法，制備工藝流程簡單、耗時(shí)短、適用范圍廣，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

20、6、本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)低溫快速燒結(jié)，有效提高sic增強(qiáng)體和al基體界面潤濕性，避免發(fā)生界面反應(yīng)，抑制al4c3的生成。

技術(shù)特征：

1.一種熱膨脹系數(shù)可調(diào)的碳化硅鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：熱膨脹系數(shù)可調(diào)的碳化硅鋁基復(fù)合材料的制備方法按以下步驟進(jìn)行：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱膨脹系數(shù)可調(diào)的碳化硅鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：步驟一所述原料中鋁合金粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30％，其余為sic粉與負(fù)熱膨脹陶瓷粉，sic粉和負(fù)熱膨脹陶瓷粉的質(zhì)量比為1:25。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱膨脹系數(shù)可調(diào)的碳化硅鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：步驟一所述sic粉的平均粒徑為5-100μm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱膨脹系數(shù)可調(diào)的碳化硅鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：步驟一所述負(fù)熱膨脹陶瓷粉的平均粒徑為0.5-40μm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱膨脹系數(shù)可調(diào)的碳化硅鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：步驟一所述鋁合金粉的平均粒徑為5-20μm。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱膨脹系數(shù)可調(diào)的碳化硅鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：步驟一所述負(fù)熱膨脹陶瓷粉為zrw2o8粉、hfw2o8粉、zrv2o7粉、mn3znn粉的一種或其中幾種。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱膨脹系數(shù)可調(diào)的碳化硅鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：步驟一所述鋁合金為al-si合金、al-si-cu合金、al-cu-mg、al-si-mg合金中的一種或幾種。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱膨脹系數(shù)可調(diào)的碳化硅鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：步驟二所述球磨工藝為：球料比(5-15):1，轉(zhuǎn)速為100-300r/min，球磨時(shí)間為2-6h。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱膨脹系數(shù)可調(diào)的碳化硅鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：步驟三所述放電等離子燒結(jié)的工藝為：燒結(jié)溫度550℃，升溫速率20℃/min，在40mpa保壓20min，燒結(jié)完畢后冷卻至室溫。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱膨脹系數(shù)可調(diào)的碳化硅鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：步驟四所述退火處理的工藝為：在300℃保溫3h，然后冷卻至室溫后取出，冷卻速率為150℃/h。

技術(shù)總結(jié)
一種熱膨脹系數(shù)可調(diào)的碳化硅鋁基復(fù)合材料的制備方法，涉及一種碳化硅鋁基復(fù)合材料的制備方法。為了解決解決了高體分SiCp/Al復(fù)合材料加工性和熱膨脹系數(shù)難以匹配的問題。制備方法：稱取SiC粉、負(fù)熱膨脹陶瓷粉和鋁合金粉為原料，混合并進(jìn)行球磨，然后將混合粉末進(jìn)行放電等離子燒結(jié)。本發(fā)明提供了一種可加工性好、熱膨脹系數(shù)較低、熱導(dǎo)率較高的SiCp/Al復(fù)合材料的制備方法，更好的滿足了電子封裝材料的性能要求，并且制備工藝簡單，效率高。

技術(shù)研發(fā)人員：武高輝,朱亞琪,熊宇,張強(qiáng),楊文澍,茍華松,王平平
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8