制备高体积分数Si颗粒增强铝基复合材料的粉末冶金工艺的制作方法

本发明涉及复合材料领域，具体为一种制备高体积分数（50-80%）si颗粒铝基复合材料的粉末冶金工艺，该工艺适用于颗粒增强铝基复合材料。

背景技术：

高体积分数（≥40%）铝基复合材料具有高弹性模量、高热导率、低密度的优点，可以满足先进电子构件的轻量化、低成本化及高功率密度、高可靠性、长寿命设计要求，在微波集成电路、大功率模块、微处理器盖板、高亮度发光二极管、功率混合电路、微波管的载体、多芯片组件的热沉和超大功率模块等领域得到广泛应用。kovar（高镍钢）合金被用作支撑微电子器件的基座，这种选择主要是因为材料的热膨胀系数低，但其密度高，导电性差。而颗粒增强铝基复合材料展现了其热膨胀系数低和导热率好的优异性能。高体分硅铝复合材料能够保持硅和铝各自的优异性能，并且硅、铝的含量相当丰富，硅粉的制备技术成熟，成本低廉，同时这种材料对环境没有污染，对人体无害。高硅铝合金材料将成为一种具有广阔前景的电子封装材料，特别是在航空航天等空间技术领域。

目前，制备高体积分数颗粒增强铝基复合材料的方法主要有浸渗法、铸造法和粉末冶金法。浸渗法的工艺是将增强体制成预制坯，然后在渗透气氛中，浇注金属液，利用金属液的自重力和表面张力或者压力，使其渗透到预制坯中，凝固后即成复合材料。其优点是复合材料成本低，缺点是工艺复杂、加工量大。采用铸造制备高硅铝合金时，由于加压时结晶可以促进初晶硅细化，同时进行致密化，因此铸造技术是一种具有潜在应用前景的金属加工工艺。然而，挤压铸造技术存在生产规模小，挤压铸件质量不稳定等缺点。

粉末冶金法的工艺是将颗粒与铝粉按比例均匀混合，经过压制、烧结等一系列步骤后制成复合材料，或采用热等静压方法制成复合材料。其优点是颗粒加入量可调，能准确控制体积分数，制造温度较低，所制得的复合材料具有较好的力学性能。然而，目前粉末冶金法制备的铝基复合材料的颗粒体积分数难以超过55%。当颗粒体积分数超过55%时，复合材料致密度降低，很难热压烧结成型，因此粉末冶金方法制备的高体积分数颗粒增强铝基复合材料很难满足实际需求。影响粉末冶金制备高体积分数颗粒增强铝基复合材料成型的主要因素是，常规粉末冶金法使用的热压温度和压力较低，热压温度一般均低于600^oc，即热压在固相区或有少量液相存在的两相区进行。当温度过低时，基体合金很难产生塑性流动，以填充孔隙，同时由于si颗粒体积分数较高，硬质相si颗粒很难产生变形或者移动而填充孔隙。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述技术问题，提供一种制备高体积分数（40-80%）铝基复合材料的粉末冶金工艺，该工艺通过提高热压温度和压力制备出致密的高体积分数铝基复合材料。本发明解决现有技术中粉末冶金方法制备的高体积分数颗粒增强铝基复合材料很难满足实际需求等问题，适用于高体积分数颗粒增强铝基复合材料的低成本、高效率的制备。

为了实现上述目的，本发明的具体技术方案为：

一种制备高体积分数si颗粒增强铝基复合材料的粉末冶金工艺，包括以下步骤：即在高温高压下对混合粉末进行热压烧结，热压工艺参数为：热压温度为500-800^oc，保温时间为≥5min，热压压力为≥100mpa，热压时间为≥5s。

高体积分数si颗粒增强铝基复合材料是指：铝合金中的si颗粒体积分数为40-80%，余量体积含量为铝基体，总体积含量为100%。

铝基体可以为al、al-si、al-mg-si、al-cu-mg、al-zn-mg、al-si-mg或al-mg。

混合粉末是指将si颗粒、铝合金粉末及钢球混合而成的粉末，将该混合粉末装入混料罐中进行机械混合，球料质量比为1:1，混料时间为0.5~24h。

对机械混合后的混合粉末进行冷压成型，冷压压力为150mpa左右，时间30s左右，冷压成型后放入模具中热压烧结成型，具体操作为：在热压温度为500-800^oc的条件下保温，保温时间≥5min，在热压压力为≥100mpa的条件下热压≥5s。

所述铝合金粉末尺寸小于100μm，si颗粒尺寸小于100μm。

热压烧结在保护气氛中或大气条件下进行。

经过以上工艺，si/al复合材料实测抗弯强度大于200mpa。

本发明的积极效果体现在：

（一）、本发明提供了si颗粒增强铝基复合材料的制备方法，可以获得均匀致密的微观组织，在复合材料中没有颗粒偏聚区域和孔洞存在，同时可以抑制有害界面的反应，颗粒增强体的体积分数可高达80％。

（二）、本发明提供的高体积分数颗粒增强铝基复合材料的制备方法，热压工艺参数为热压温度为450-700^oc，压力为≥100mpa。本发明工艺可以提高高体积分数si颗粒增强铝基复合材料的可靠性，减少组织缺陷，提高复合材料的力学性能。因此，这种新的制备工艺方案对复合材料工业应用具有重要价值。

（三）、本发明工艺可以在提高si颗粒体积分数的同时，提高复合材料的力学性能。因此，这种新的制备工艺方案在制备高体积分数铝基复合材料方面有着广阔的工业推广前景。

附图说明

图1为本发明所述50%体积分数20μmsi颗粒540℃热压烧结微观形貌。

图2为本发明所述60%体积分数20μmsi560℃热压烧结微观形貌。

图3为本发明所述70%体积分数40μm560℃热压烧结微观形貌。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内。

本申请文件中，%如无特殊说明，均表示其体积百分含量；比例关系均为质量比，份也都表示重量份；所采用的原料，如无特殊说明外，均为市售产品。抗弯强度样品尺寸为50×5×4mm，实验条件为室温，跨距40mm，压头直径20mm，速率0.5mm/min。

实施例1：

使用体积分数为50%，粒径为20μm的si颗粒与10μmal粉末及钢球装入混料罐中进行机械混合，球料质量比为1:1，机械混合8h后进行冷压成型，冷压压力150mpa，时间10s；然后，放入模具中热压烧结成型，热压条件为：在热压温度为550^oc下保温1h，在热压压力为1000mpa的热压参数下进行热压烧结5s。具体结果见图1，图1为微观组织结构图，由图1可以看出，si分布均匀、致密无缺陷。复合材料致密度99%以上，实测抗弯强度为360mpa。

实施例2：

使用60%体积分数20μmsi颗粒与6061al（al-mg-si系铝合金）粉末及钢球装入混料罐中进行机械混合，球料质量比为2:1，机械混合8h后进行冷压成型，冷压压力150mpa，时间30s；然后，放入模具中热压烧结成型，在热压温度为560^oc下保温2h，在热压压力为1000mpa的热压参数下进行热压烧结时间20s。图2为微观组织结构，由图2可以看出，si分布均匀、致密无缺陷。复合材料抗弯强度为340mpa。

实施例3：

使用70%体积分数40μmsi颗粒与al粉末及钢球装入混料罐中进行机械混合，球料质量比为1:2，机械混合4h后进行冷压成型，冷压压力100mpa，时间5s；然后，放入模具中热压烧结成型，在热压温度为520^oc下保温1h，热压压力为500mpa的热压参数下进行热压烧结时间30s。图3为微观组织结构，由图3可以看出，si分布均匀、致密度达到99%。复合材料抗弯强度为330mpa。

实施例4

使用65%体积分数10μmsi颗粒与6061al（al-mg-si系铝合金）粉末及钢球装入混料罐中进行机械混合，球料质量比为1:1，机械混合8h后进行冷压成型，冷压压力100mpa，时间30s；然后，放入模具中热压烧结成型，在热压温度为540^oc下保温2h、热压压力为800mpa的热压参数下进行热压烧结60s。微观结构检查表明，si分布均匀、致密无缺陷。复合材料导热率130w/m∙k，抗弯强度为350mpa。

实施例5

使用50%体积分数60μmsi颗粒与al-10si粉末及钢球装入混料罐中进行机械混合，球料质量比为1:1，机械混合4h后进行冷压成型，冷压压力50mpa，时间10s；然后，放入模具中热压烧结成型，在热压温度为570^oc下保温30min、热压压力为500mpa的热压参数下进行热压烧结20s。复合材料导热率120w/m∙k，抗弯强度为300mpa。

对比例1：

与实施例1不同的是，将热压压力改为100mpa，最后复合材料的致密度95%以上，实测抗弯强度为220mpa。

对比例2：

与实施例1不同的是，热压温度为480^oc，复合材料致密度97%以上，实测抗弯强度为200mpa。

以上所述实例仅是本专利的优选实施方式，但本专利的保护范围并不局限于此。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利原理的前提下，根据本专利的技术方案及其专利构思，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本专利的保护范围之内。