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热循环过程对高体积分数Al/SiC_p电学和热学性能影响的研究

张鸿翔  
【摘要】: 金属基复合材料(MMCs)可以把基体的高热传导性与增强体的低热膨胀系数结合起来,具有良好的综合热物理性能,满足对电子封装材料性能的要求。对于经受高频率热疲劳的电子封装材料,其热物理性能抗热疲劳的能力是很重要的。复合材料由于增强体与基体的性能差别大,会引起两者变形的不协调性,形成残余应力,这就使得它在经受热循环时更容易出现破坏。本研究以Al/SiCp复合材料为研究对象,深入研究了其热物理性能在热循环过程中的变化规律以及产生变化的机理。 干法成型工艺无法完全实现预制件的净成型,且难以制备形状复杂的成型体,本文结合凝胶注模成型和真空压力浸渗工艺,制备出致密和高体积分数的SiC颗粒增强Al基复合材料,获得了较为理想的力学和热学性能。 对Al/SiCp在20~300℃进行热循环,观察其微观结构的变化,发现:热循环过程使Al/SiCp复合材料产生界面松弛,断裂行为从热循环之前的SiC颗粒断裂向SiC颗粒脱粘过渡。增加循环周次或扩大温度区间都会加剧材料的破坏。从Al/SiCp复合材料的显微结构上观察,热循环过程使材料基体中的缺陷增加,缺陷的主要类型为位错。通过内耗实验,也证实了位错密度的升高。热循环过程中位错密度的升高造成内耗峰峰温的上升,以及材料阻尼和剪切模量升高。 Al/SiCp复合材料的热膨胀系数在热循环过程中的变化不大,不超过3%。材料内部的塑性应变会不断积累,并最终造成材料尺寸的增大。塑性应变累积呈指数形式增长,在热循环前期几乎呈直线增长,但在100周之后,塑性应变累积趋向饱和,复合材料的尺寸也将趋于稳定。 在热循环过程中,Al/SiCp复合材料的电导率会发生下降,在600周的热循环中其变化呈“之”字形的三段式变化:从0周到100周,材料的电导率几乎没有降低;之后,材料的电导率则发生急剧下降;而循环周次超过400周,材料的电导率又趋于稳定。材料电导率的下降幅度可高达34%,基体内部位错密度的升高是材料电导率下降的主要原因。 Al/SiCp复合材料的热导率在600周的热循环过程中也呈现“之”字形的三段式变化,与电导率相似。热导率下降超过15%,基体内部位错密度的升高同样是热导率下降的主要原因。增强体粒径的差异并不会改变热导率变化的趋势,而只会造成热导率值的不同。基体金属的改变则会改变各阶段的长短。扩大循环温度区间会加速热导率的衰减,温差从280℃扩大到496℃使热导率下降幅度从5%增至14.38%。延长热循环周次会促使热导率的进一步下降。 目前的电导率和热导率的预测公式大多不够完善,不能综合评价颗粒尺寸和体积分数的影响,本文提出了适用于本实验材料的电导率和热导率的预测公式。通过对基体中变形区域的计算,考虑了增强体颗粒尺寸作用,并引入一个参数来表征界面对复合材料电导率的影响。运用等效插入法,并引入界面热阻的影响,提出了颗粒增强复合材料热导率的预测公式。


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