一种高体积分数SiCp/Al合金复合材料的粉体冶金制备方法与流程

本发明涉及一种合金复合材料的制备方法，具体地说是一种高体积分数sicp/al合金复合材料的粉体冶金制备方法，属于新材料及其制备工艺领域。

背景技术：

高体积分数sicp/al合金复合材料具有高热导率、低热膨胀系数等优势，可以很好满足集成电路及电力电子器件快速发展对封装材料高热耗散，与半导体低热膨胀系数失配及可靠性的需求，成为较为理想的新型电子封装材料。同时，因优异的力学性能，如高比强度、比刚度及低密度，其在特殊精密仪器、航空航天等领域也有广阔的应用前景。因此，高体积分数的sicp/al合金复合材料的开发应用一直深受人们关注。

常见的sicp/al合金复合材料制备方法主要有：搅拌铸造法、无压熔渗法、喷射成型法、粉体冶金法等。由于sicp与al合金熔体润湿性差，在sicp/al合金复合材料搅拌铸造过程中，sicp在al基体中分布均匀性较差，易于出现团聚现象；且搅拌铸造易引入气体，降低sicp/al合金复合材料致密度。无压熔渗法在al合金熔体具有相当高过热度的条件下实施，工艺温度高，sicp与al合金熔体界面反应强烈，sicp/al合金复合材料的显微组织及性能可控性低。sicp/al合金复合材料喷射成型所需设备成本较高，工艺参数控制有一定难度，显微组织均匀性较差，致密度低，需要通过热挤压、热压等二次加工实现完全致密化。

粉体冶金法可实现sicp在al合金基体中均匀分布，并可根据复合材料或器件的性能需求进行成分的剪裁设计；净成形工艺大幅度减少机加工成本和材料损耗；烧结温度低，可有效抑制sicp/al合金界面反应的发生；因此，粉体冶金法制备sicp/al合金复合材料得到广泛关注。目前，人们常采用热压等特种烧结工艺来制备高致密的高体积分数sicp/al合金复合材料(cn102676883b、cn103194630a)，但该种方法对设备要求较高，增加工艺成本；难以制备大尺寸、形状复杂的器件或制品；且用该方法制备的高体积分数sicp/al合金复合材料的性能也低于无压熔渗工艺制备的类似成分的高体积分数sicp/al合金复合材料。主要原因在于，为了提高热压高体积分数sicp/al合金复合材料的致密度，通常采用粗细不同的两种或多种sic粉体级配，而添加的细小sicp易于团聚，增加复合材料的界面热阻，且与al合金基体的界面反应活性更大，形成al4c3等反应产物，显著降低sicp/al合金复合材料的力学及热物理性能，制约了高体积分数sicp/al合金复合材料粉体冶金制备技术的发展。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种高体积分数sicp/al合金复合材料的粉体冶金制备方法，所要解决的技术问题是通过优化制备参数以提高高体积分数sicp/al合金复合材料的力学及热物理性能。

本发明有针对性地对市购的sic粉体进行淘洗，去除其中的细小sic颗粒，合理选配不同粒径的sic粉体与al合金粉体，提高压坯的致密度，并采用常压烧结这一最简单易行的粉体冶金材料烧结技术，替代无压渗透、热压等致密化工艺，实现高体积分数sicp/al合金复合材料的低成本制备，并赋予其均匀的显微组织与优异的力学及热物理性能，满足电子封装、特殊精密仪器等对新材料日益提高的性能要求，促进相关产业发展。

本发明高体积分数sicp/al合金复合材料中，sicp的含量为30-50vol％，进一步优选50vol％，余量为al合金。

本发明高体积分数sicp/al合金复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)淘洗：将市购的sic粉体在去离子水中超声处理10-20min，随后静置10-20min，将去离子水连同悬浮于其中的细小sic颗粒一起倒掉，重复淘洗3-5次，直至去离子水完全澄清；淘洗后的sic粉体于150℃保温干燥12h备用，淘洗后的sicp粉体的平均粒径(d50)为10-30μm；

(2)配料：将淘洗后的sicp粉体与市购的平均粒径(d50)为5-20um的al合金粉体按照配比量进行配料；所述al合金粉体为si的质量百分含量为0.5-3wt％、mg的质量百分含量为0.5-3wt％的6系al合金粉体。

(3)混料：sicp粉体与al合金粉体的混合在双轴滚筒混料机上进行，加入直径为5-15mm的zro2球作为混料介质，球料比为2:1，辊轴转速为300-400r/min，混料时间为6-8h；

(4)压制成形：向步骤(3)获得的混合粉体中滴加成形剂，在滴加的过程中不断搅拌直至成形剂在混合粉体均匀分布，随后将获得的混合料填入阴模内壁涂抹硬脂酸锌的钢制模具中，单向施加400-600mpa的轴向压力，保压1-5min压制成形；

步骤(4)中，以100g混合粉体计，所述成形剂是将混合粉体重量2-4wt％的固体石蜡溶于0.5-1ml液体石蜡中形成的粘稠液体。

(5)常压烧结：将步骤(4)获得的压坯放入石英管式烧结炉中常压烧结，烧结温度为660-720℃，烧结时间为1-3h，制备得到高体积分数sicp/al合金复合材料。整个常压烧结过程均在流动的99.99vol％高纯氮气保护下进行，氮气的流速为50-100ml/min。

步骤(5)中，石英管式烧结炉的升温速率设置为5℃/min，试样保温完成后程序控制降温至500℃，降温速率为2-5℃/min，之后随炉冷却至室温。

步骤(5)中，烧结温度优选为680℃。

和其它的高体积分数sicp/al合金复合材料制备方法(如无压熔渗、热压等)相比，本发明采用sicp粉体淘洗、sic粉体与al合金粉体粒径选配、成形剂的选择与添加及常压烧结工艺优化的措施，制备出sicp分布均匀，接近完全致密，且sicp/al界面反应产物极少的高体积分数sicp/al合金复合材料。

附图说明

图1为实施例1中680℃烧结的50vol％sicp/6061al复合材料的显微组织(a)与断口形貌(b)。

图2为实施例2中660℃烧结的50vol％sicp/6061al复合材料的显微组织(a)与断口形貌(b)。

图3为实施例3中700℃烧结的50vol％sicp/6061al复合材料的显微组织(a)与断口形貌(b)。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的解释和说明。

实施例1：50vol％sicp/6061al复合材料，680℃常压烧结

(1)淘洗：将市购的sic粉体在去离子水中超声处理10min，随后静置10min，将去离子水连同悬浮于其中的细小sic颗粒一起倒掉，重复淘洗3-5次，直至去离子水完全澄清；淘洗后的sic粉体于150℃保温干燥12h备用，淘洗后的sicp粉体的平均粒径(d50)为20μm；

(2)配料：将淘洗后的sicp粉体与市购的平均粒径(d50)为25μm的al合金粉体按照1:1的体积比进行配料；

(3)混料：sicp粉体与al合金粉体的混合在双轴滚筒混料机上进行，加入直径为5mm的zro2球作为混料介质，球料比为2:1，辊轴转速为300r/min，混料时间为6h；

(4)压制成形：向步骤(3)获得的混合粉体中滴加成形剂，在滴加的过程中不断搅拌直至成形剂在混合粉体均匀分布，随后将获得的混合料填入阴模内壁涂抹硬脂酸锌的钢制模具中，单向施加400mpa的轴向压力，保压时间3min压制成形；

所述成形剂是将混合粉体重量3wt％的固体石蜡溶于0.5-1ml液体石蜡中形成的粘稠液体。

(5)常压烧结：将步骤(4)获得的压坯放入石英管式烧结炉中常压烧结，烧结温度为680℃，烧结时间为1-3h，制备得到50vol％sicp/al合金复合材料。整个常压烧结过程均在流动的99.99vol％高纯氮气保护下进行，氮气的流速为100ml/min。

石英管式烧结炉的升温速率设置为5℃/min，试样保温完成后程序控制降温至500℃，降温速率为2℃/min，之后随炉冷却至室温。

实施例2：50vol％sicp/6061al复合材料，660℃常压烧结

本实施例的制备过程同实施例1，不同的是步骤(5)中的烧结温度为660℃，其它工艺过程及参数不变。

实施例3：50vol％sicp/6061al复合材料，700℃常压烧结

本实施例的制备过程同实施例1，不同的是步骤(5)中的烧结温度为700℃，其它工艺过程及参数不变。

如图1-3所示，常压烧结50vol％sicp/al合金复合材料中的sicp均匀分布在al合金基体中，无团聚现象，复合材料的气孔率较低，致密度高。实施例1中680℃烧结的50vol％sicp/al合金复合材料中的sicp与al合金基体结合最为紧密，无气孔(图1)。而在比680℃低或高温度下烧结的50vol％sicp/al合金复合材料中(实施例2、3)，al合金基体或其sicp界面处存在细小的气孔，致密度降低，且700℃烧结的50vol％sicp/al合金复合材料孔洞尺寸更大，气孔率更高，致密度更低(图2、3)。在上述三个实施例所获得的50vol％sicp/al合金复合材料断裂面上，al合金基体中存在大量韧窝，呈现撕裂特征，而sicp断面平整，为解理断裂，证明此工艺条件下制备的50vol％sicp/al合金复合材料均具有较高的强度(图1-3)。

实施例1中680℃常压烧结制备的50vol％sicp/al合金复合材料的主要性能如下：致密度为98.5％，抗弯强度为495mpa，热导率为153w/(m·k)，热膨胀系数低至8.1×10^-6/k。而前期公布的发明专利(cn102676883b)采用真空热压法制备25vol％sicp/al-30si复合材料的抗弯强度仅有183mpa，本发明的高体积分数sicp/al合金复合材料中sicp含量为其2倍，抗弯强度为其2.7倍；发明专利(cn103194630a)采用常压烧结后在300℃进行热挤压，最后进行退火处理获得50vol％sicp/al复合材料，工序繁杂，其抗弯强度也仅为160mpa；发明专利(cn102676901a)采用无压熔渗制备60vol％-75vol％sicp/al-mg-si复合材料，其中采用三种不同粒径sicp(140-170um，15-70um与14-17um)进行级配，虽然sicp含量比本专利高，但其热导率(140-159w/mk)和热膨胀系数(7.92-9.71×10^-6/k)也仅与本专利采用常压烧结制备的50vol％sicp/al合金复合材料相近，但该专利制备的高体积分数sicp/al合金复合材料的抗弯强度(300-337mpa)却比本专利获得高体积分数sicp/al合金复合材料的抗弯强度(495mpa)低得多。通过上述对比分析，充分证明本专利采用常压烧结制备的高体积分数sicp/al合金复合材料不仅工序简单，且性能优于采用无压熔渗、热压等工艺制备的类似成分的sicp/al合金复合材料，在高性能电子封装材料、特殊精密仪器及新型结构材料应用领域具有重要的推广应用价值。

实施例4：30vol％sicp/6061al复合材料，680℃常压烧结

本实施例的制备过程同实施例1，不同的是sicp粉体的含量为30vol％。

本实施例制备的30vol％sicp/6061al复合材料的致密度为98.8％，抗弯强度为450mpa，热导率为130w/(m·k)，热膨胀系数低至10.2×10^-6/k。

综上，本发明制备的30vol％-50vol％sicp/6061al复合材料的致密度均在97％以上，接近完全致密，随着复合材料中sicp含量的增加，抗弯强度由450mpa增加至495mpa，热膨胀系数由10.2×10^-6/k降低至8.1×10^-6/k，热导率在sicp含量为50vol％时达到最大为153w/(m·k)。