专利名称：三维网络结构Si－Al复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种Si-Al复合材料及其制备方法。
背景技术：
颗粒增强金属基复合材料以其低膨胀、高导热等特性在电子封装领域有着广泛的应用前景。近年来国内外关于电子封装复合材料的报道逐渐增加。在颗粒增强金属基复合材料的研究过程中，人们发现复合材料的组织结构对其热物理性能存在很大的影响。这些组织结构有界面、位错、孪晶以及孔洞等，其中界面的影响尤为突出。金属基复合材料由基体金属和增强体两部分构成，改变或调整基体成分将在以下两个方面影响材料的性能首先表现在对基体材料本身热物性的影响，其次则表现为对基体与增强体界面结合状况的影响。界面的存在会产生界面热阻(Thermal resistant of interfaces)，阻碍热量的传输，从而界面越多越不利于热量的传输，表现为材料的热传导率下降。因此减少复合材料中的界面将大大有利于热量的传输，使热导率得到提高。
由此可见，对颗粒增强金属基复合材料(如Si颗粒增强铝基复合材料)而言，由于界面热阻的存在，其热物理性能尤其是热传导性能必将受到很大的影响。从理论上来讲，颗粒增强金属基复合材料的热导率存在一个最大极限值。这势必会制约颗粒增强金属基复合材料的进一步地研制开发。如何开发出具有较少界面且各向同性的金属基复合材料，将会成为研究的趋势。
发明内容
为了解决现有Si颗粒增强铝基复合材料因存在界面热阻使复合材料的导热性能降低、热膨胀系数高的问题，本发明提供了一种三维网络结构Si-Al复合材料及其制备方法。
本发明的三维网络结构Si-Al复合材料由Al基体和Si增强体组成，所述的Si增强体的颗粒联结起来形成三维的网络结构，三维网络结构Si-Al复合材料的Si含量为复合材料体积百分比的50％-70％。
本发明的三维网络结构Si-Al复合材料的制备方法由下列步骤完成步骤一将Si颗粒增强铝基复合材料装入架设在压力机台面上的模具内；
步骤二通过压力机的上下压头对模具内的Si颗粒增强铝基复合材料施加压力0.1MPa～59Mpa；步骤三保持压力0.5小时～3小时，并通过模具外围设置的电炉对装有Si颗粒增强铝基复合材料的模具加热至600℃～900℃；步骤四脱模，完成三维网络结构Si-Al复合材料的制备。
本发明的三维网络结构Si-Al复合材料的含硅量范围广，硅含量的体积百分比为50％～70％，同时它具有低密度和高致密度，其密度为2.4～2.6g/cm3、致密度为＞98.5％，它还具有低膨胀、高导热、低成本的特点。本发明的方法对Si颗粒增强铝基复合材料进行高温融合处理，使增强体颗粒和基体互相联结成三维网络结构，从而减少增强体与金属基体之间的界面，降低复合材料的界面热阻，改善复合材料的导热性能。
图1为本发明的结构示意图。
具体实施例方式
具体实施方式
一下面具体说明本实施方式，本实施方式由Al基体和Si增强体组成，所述的Si增强体的颗粒联结起来形成三维的网络结构，三维网络结构Si-Al复合材料的Si含量为复合材料体积百分比的50％-70％。
具体实施方式
二本实施方式与具体实施方式
一的不同在于三维网络结构Si-Al复合材料的Si含量为复合材料体积百分比的50％-60％。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
二的不同在于三维网络结构Si-Al复合材料的Si含量为复合材料体积百分比的60％-70％。
具体实施方式
四下面结合图1具体说明本实施方式，本实施方式由下列步骤完成步骤一将Si颗粒增强铝基复合材料5装入架设在压力机台面1上的模具2内；步骤二通过压力机的上下压头3对模具2内的Si颗粒增强铝基复合材料5施加压力0.1MPa～59Mpa；步骤三保持压力0.5小时～3小时，并通过模具2外围设置的电炉4对装有Si颗粒增强铝基复合材料5的模具2加热至600℃～900℃；步骤四脱模，完成三维网络结构Si-Al复合材料的制备。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
四的不同在于步骤二中所施加的压力为0.1MPa～20Mpa。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
五的不同在于步骤二中所施加的压力为21MPa～40Mpa。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
六的不同在于步骤二中所施加的压力为41MPa～59Mpa。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
七的不同在于步骤三中电炉4对模具2加热的温度为600℃～700℃。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
八的不同在于步骤三中电炉4对模具2加热的温度为700℃～800℃。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
九的不同在于步骤三中电炉4对模具2加热的温度为800℃～900℃。
具体实施方式
十一本实施方式与具体实施方式
十的不同在于步骤三中压力保持的时间为0.5小时～1.5小时。
具体实施方式
十二本实施方式与具体实施方式
十一的不同在于步骤三中压力保持的时间为1.5小时～3小时。
具体实施方式
十三本实施方式与具体实施方式
十二的不同在于步骤二中施加的压力为0.1MPa；步骤三中压力保持时间为0.5小时，加热至600℃；所制备的三维网络结构Si-Al复合材料的Si含量的体积百分比为65％，密度为2.42g/cm3，致密度为98.77％，热膨胀系数为7.4×10-6/℃，热导率为140W/(m·K)，弯曲强度为141MPa，弹性模量为100GPa，硬度为310。导热率较热熔合处理前提高15％，热膨胀系数降低10.5％。
具体实施方式
十四本实施方式与具体实施方式
十三的不同在于步骤二中施加的压力为59MPa；步骤三中压力保持时间为0.5小时，加热至900℃；所制备的三维网络结构Si-Al复合材料的Si含量的体积百分比为65％，密度为2.41g/cm3，致密度为98.93％，热膨胀系数为7.3×10-6/℃，热导率为135W/(m·K)，弯曲强度为120MPa，弹性模量为104GPa，硬度为275。导热率较热熔合处理前提高15.2％，热膨胀系数降低11.3％。
具体实施方式
十五本实施方式与具体实施方式
十四的不同在于步骤二中施加的压力为0.2MPa；步骤三中压力保持时间为3小时，加热至600℃；
所制备的三维网络结构Si-Al复合材料的Si含量的体积百分比为65％，密度为2.42g/cm3，致密度为98.51％，热膨胀系数为7.6×10-6/℃，热导率为150W/(m·K)，弯曲强度为120MPa，弹性模量为100GPa，硬度为270。导热率较热熔合处理前提高15.1％，热膨胀系数降低10.3％。
具体实施方式
十六本实施方式与具体实施方式
十五的不同在于步骤二中施加的压力为59MPa；步骤三中压力保持时间为1.5小时，加热至800℃；所制备的三维网络结构Si-Al复合材料的Si含量的体积百分比为65％，密度为2.40g/cm3，致密度为98.89％，热膨胀系数为7.5×10-6/℃，热导率为144W/(m·K)，弯曲强度为175MPa，弹性模量为112GPa，硬度为270。导热率较热熔合处理前提高15.4％，热膨胀系数降低10.2％。
具体实施方式
十七本实施方式与具体实施方式
十六的不同在于步骤一中将模具2内抽真空；步骤二中施加的压力为0.2MPa；步骤三中压力保持时间为0.5小时，加热至600℃；所制备的三维网络结构Si-Al复合材料的Si含量的体积百分比为65％，密度为2.40g/cm3，致密度为99.42％，热膨胀系数为7.4×10-6/℃，热导率为133W/(m·K)，弯曲强度为143MPa，弹性模量为111GPa，硬度为282。导热率较热熔合处理前提高15.5％，热膨胀系数降低10.1％。
具体实施方式
十八本实施方式与具体实施方式
十七的不同在于步骤二中施加的压力为0.2MPa；步骤三中压力保持时间为0.5小时，加热至600℃；所制备的三维网络结构Si-Al复合材料的Si含量的体积百分比为50％，密度为2.40g/cm3，致密度为99.42％，热膨胀系数为7.7×10-6/℃，热导率为163W/(m·K)，弯曲强度为153MPa，弹性模量为111GPa，硬度为282。导热率较热熔合处理前提高15.2％，热膨胀系数降低10.5％。
具体实施方式
十九本实施方式与具体实施方式
十八的不同在于步骤二中施加的压力为0.2MPa；步骤三中压力保持时间为0.5小时，加热至600℃；所制备的三维网络结构Si-Al复合材料的Si含量的体积百分比为70％，密度为2.38g/cm3，致密度为99.42％，热膨胀系数为7.3×10-6/℃，热导率为130W/(m·K)，弯曲强度为133MPa，弹性模量为111GPa，硬度为282。导热率较热熔合处理前提高15.3％，热膨胀系数降低10.3％。
权利要求
1.三维网络结构Si-Al复合材料，它由Al基体和Si增强体组成，其特征在于所述的Si增强体的颗粒联结起来形成三维的网络结构，三维网络结构Si-Al复合材料的Si含量为复合材料体积百分比的50％-70％。
2.三维网络结构Si-Al复合材料的制备方法，其特征在于它由下列步骤完成步骤一将Si颗粒增强铝基复合材料(5)装入架设在压力机台面(1)上的模具(2)内；步骤二通过压力机的上下压头(3)对模具(2)内的Si颗粒增强铝基复合材料(5)施加压力0.1MPa～59Mpa；步骤三保持压力0.5小时～3小时，并通过模具(2)外围设置的电炉(4)对装有Si颗粒增强铝基复合材料(5)的模具(2)加热至600℃～900℃；步骤四脱模，完成三维网络结构Si-Al复合材料的制备。
3.根据权利要求2所述的三维网络结构Si-Al复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中所施加的压力为0.1MPa～20Mpa。
4.根据权利要求3所述的三维网络结构Si-Al复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中所施加的压力为21MPa～40Mpa。
5.根据权利要求3所述的三维网络结构Si-Al复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中所施加的压力为41MPa～59Mpa。
6.根据权利要求4所述的三维网络结构Si-Al复合材料的制备方法，其特征在于步骤三中电炉(4)对模具(2)加热的温度为600℃～700℃。
7.根据权利要求4所述的三维网络结构Si-Al复合材料的制备方法，其特征在于步骤三中电炉(4)对模具(2)加热的温度为700℃～800℃。
8.根据权利要求4所述的三维网络结构Si-Al复合材料的制备方法，其特征在于步骤三中电炉(4)对模具(2)加热的温度为800℃～900℃。
9.根据权利要求5所述的三维网络结构Si-Al复合材料的制备方法，其特征在于步骤三中压力保持的时间为0.5小时～1.5小时。
10.根据权利要求5所述的三维网络结构Si-Al复合材料的制备方法，其特征在于步骤三中压力保持的时间为1.5小时～3小时。
全文摘要
三维网络结构Si－Al复合材料及其制备方法，它涉及一种Si－Al复合材料及其制备方法，为了解决现有Si颗粒增强铝基复合材料因存在界面热阻使复合材料的导热性能降低、热膨胀系数高的问题。本发明的三维网络结构Si－Al复合材料的Si增强体的颗粒联结起来形成三维的网络结构。本发明的制备方法首先将复合材料装入模具内；通过压力机的上下压头对模具内施加压力；保持压力，并通过电炉对模具加热；脱模，完成制备。本发明的三维网络结构Si－Al复合材料具有含硅量范围广、低密度、高致密度、低膨胀的特点。本发明的方法使增强体颗粒和基体互相联结成三维网络结构，从而减少增强体与金属基体之间的界面，改善复合材料的导热性能。
文档编号C22C1/05GK101078075SQ20071007245
公开日2007年11月28日 申请日期2007年7月4日 优先权日2007年7月4日
发明者武高辉, 修子扬, 姜龙涛, 张强 申请人:哈尔滨工业大学