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、低熱膨脹系數、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用。近些年來,隨著Sip/Al電子封裝材料在航天航空等領域的應用研究不斷深入,但其研究主要偏重其熱膨脹系數、熱導率及強度等熱力學性能,而忽略其氣密性及后續(xù)的機加工和封焊問題。針對上述問題,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)。根據實驗成分設計,系統(tǒng)研究了熱壓溫度、壓力以及燒結溫度、時間對梯度材料性能的影響,并通過理論模型計算和實驗測試對比分析梯度材料的熱導率、熱膨脹系數性能與單一組分鋁硅復合材料的性能差異。論文還采用ANSYS有限元分析軟件對鋁硅梯度材料的熱導率、熱應力進行模擬,探究其熱導率和熱應力隨硅含量增加、梯度結構的變化情況,取得了以下成果:
　　(1)經熱壓(HP)燒結及熱等靜壓(HIP)致密化,材料密度約為2.4～2.5g/cm3,

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

4、到Al-Si五層梯度材料(Al-40Si/Al-50Si/Al-65Si/Al-50Si/Al-40Si)的熱導率、熱膨脹系數與Al-50Si的性能相近。
　　(4)利用ANSYS有限元分析軟件,建立Al-Si平面多顆粒隨機分布模型及三層、五層隨機分布梯度模型,研究Sip/Al復合材料增強相體積分數和基體對復合材料的熱導率的影響。結果表明,理論模型計算結果與有限元分析結果相一致,Sip/Al復合材料的熱導率隨體積分數增加而下降,A

5、l基體復合材熱導率高于Al-12Si復合材料熱導率,而Al-Si梯度材料的宏觀熱導率略低于模擬值。
　　(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)為分析對象,模擬并比較在工作環(huán)境中溫度場分布和熱應力分布,較Al-Si三層梯度材料而言,Al-Si五層梯度材料熱應力緩和,形變較