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SPS烧结AlNp/Al梯度复合材料的制备及封接工艺研究

王子鸣  
【摘要】:相控阵雷达的工作距离和性能往往与T/R组件的功率成正比,而大功率的T/R组件会相应引发热量散失和热失配问题。本文以高热导、低膨胀的Al N为增强相,以纯Al为基体,采用SPS方法制备体积分数5%~55%AlNp/Al复合材料,利用先进分析手段对复合材料的微观组织、热物理性能和力学性能进行了系统的研究,分析了相关影响因素;并以此为基础制备了三种AlNp/Al层状梯度复合材料;使用MSC.Marc有限元模拟软件分析AlNp/Al层状梯度复合材料用于T/R组件封装外壳的温度、应力、位移;采用磁控溅射沉积金属薄层的方式对AlNp/Al复合材料和6061Al进行表面改性,采用Sn Ag Cu钎料对表面改性后的AlNp/Al复合材料和6061Al进行连接,并分析接头组织形貌、界面组成结构的形成及演变规律。通过对球磨工艺(转速、时间)和SPS工艺(烧结温度、保温时长)的系统研究,获得致密化程度高、低孔隙率的AlNp/Al复合材料。制备的体积分数5%~45%AlNp/Al复合材料的组织致密,Al N颗粒均匀分布在Al基体中,未见夹铝层、颗粒偏聚或贫化等缺陷。AlNp/Al复合材料的导热系数、热膨胀系数、塑性随着Al N增强相含量的增加而降低;在一定范围内,AlNp/Al复合材料的拉伸强度、弯曲强度随着Al N颗粒含量的增加而提高。45vol.%AlNp/Al的热导率为112W/(m·K),热膨胀系数为13.52×10-6K-1,拉伸强度为217MPa,弯曲强度为440.7MPa,相比SPS烧结的纯Al试样,分别提高了64.4%、41.5%。根据AlNp/Al复合材料的组织、性能,设计并制备三种AlNp/Al层状梯度复合材料:纯Al-45vol.%AlNp/Al两层、5vol.%-25vol.%-45vol.%AlNp/Al三层、纯Al-5vol.%-15vol.%-25vol.%-35vol.%-45vol.%AlNp/Al六层层状梯度复合材料。三种AlNp/Al层状梯度复合材料组织致密,层与层间界面清晰、分明,无明显缺陷、空洞。利用MSC.Marc有限元分析软件对三种梯度材料、6061Al应用于T/R组件封装壳体进行计算分析。梯度材料Mises应力最大值与6061Al相比,几乎下降了一半,说明梯度材料缓解热失配带来的热应力效果良好。为了改善SnAgCu钎料在AlNp/Al复合材料与6061Al表面的润湿性,采用磁控溅射沉积金属薄层的方法进行表面改性。研究了Sn Ag Cu钎料250°C下在母材表面沉积Ni单层金属和Ti/Ni双层金属后的润湿性;以及250°C下两种连接接头的典型微观组织与界面结构,并探究了不同保温时间下接头的微观组织和界面结构演变机制。对两种连接件在不同工艺参数下的接头进行抗剪切强度测试,最终得到的剪切强度是28MPa~35MPa,并分析剪切断口形貌和断裂机制。


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