熱循環(huán)對SiCp/Al復(fù)合材料性能影響的研究

牛 通

（南京電子技術(shù)研究所，南京 210013）

1 前言

隨著航空航天、大規(guī)模集成電路、高功率軍事通信設(shè)備等方面的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的電子封裝材料己經(jīng)逐漸滿足不了這些領(lǐng)域的要求，而SiCp/Al復(fù)合材料具有高熱導(dǎo)率、低線膨脹系數(shù)、密度小等優(yōu)點(diǎn)，因此具有廣闊的應(yīng)用前景[1～3]。同時，SiCp/Al復(fù)合材料制成的器件如雷達(dá)收發(fā)組件、大功率發(fā)射機(jī)、空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)等，經(jīng)常工作在比較苛刻的環(huán)境中，特別是工作環(huán)境溫度常處于波動的狀態(tài)。關(guān)于溫度波動對SiCp/Al復(fù)合材料及器件性能的影響報(bào)道較少。為此，筆者從材料的角度，研究了熱循環(huán)對SiCp/Al復(fù)合材料的CTE、熱導(dǎo)率和彎曲強(qiáng)度的影響，以便在SiCp/Al復(fù)合材料設(shè)計(jì)及使用時，爭取把不利影響降到最低限度，使SiCp/Al復(fù)合材料制成的器件能穩(wěn)定、正常地工作。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)中所用的SiCp/Al復(fù)合材料（以下簡稱SiCp/Al）是從國防科技大學(xué)采購，其中SiCp體積分?jǐn)?shù)為64%，鋁合金基體為Al6063，增強(qiáng)體SiC顆粒采用三種粒度搭配，平均粒徑分別為45μm、20μm和10μm。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

根據(jù)器件實(shí)際的工作溫度，制定如下熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)過程：首先準(zhǔn)備好200℃的油浴和0℃的冰水混合物，把SiCp/Al放進(jìn)油浴中保溫90s后，迅速放進(jìn)冰水混合物中，冷卻后取出，拭去SiCp/Al表面的水后，再放進(jìn)油浴中，如此反復(fù)進(jìn)行。在實(shí)驗(yàn)中，分別測定了熱循環(huán)50次、100次、200次、300次時SiCp/Al的CTE（熱膨脹系數(shù)）、熱導(dǎo)率和彎曲強(qiáng)度。

2.3 測量方法

熱膨脹系數(shù)在DIL402PC型熱膨脹儀上測量，樣品尺寸為Ф5mm×20mm，測量時從室溫以5℃/min的速率升到500℃。熱導(dǎo)率的測量依照國家標(biāo)準(zhǔn)GB11108-89，熱擴(kuò)散系數(shù)采用JR-3型激光導(dǎo)熱儀測定，所用樣品尺寸為Ф10mm×4mm。三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度的測量依照國家標(biāo)準(zhǔn)GB10422-79，在WDW-100材料萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，樣品尺寸為3mm×4mm×36mm，壓頭下移速率為0.5mm/min，跨距為30mm。

3 結(jié)果與分析

3.1 鑄態(tài)SiCp/Al的熱膨脹行為分析

圖1為處理前（鑄態(tài)）SiCp/Al的CTE隨溫度的變化曲線，測試溫度范圍從室溫到500℃。從整體上看，SiCp/Al的CTE隨溫度的升高而逐漸增大，這與文獻(xiàn)[4]、[5]的研究結(jié)果一致。根據(jù)熱膨脹數(shù)值的變化規(guī)律，筆者把該曲線分為4個溫度階段：（1）第一個階段為室溫到180℃，在這個溫度區(qū)間內(nèi)，CTE與溫度是成比例增加的線性關(guān)系；（2）第二個階段為180℃～250℃，在這個區(qū)間CTE隨溫度升高而增加的幅度變大，即溫度-CTE曲線的斜率增大；（3）第三個階段為250℃～425℃，在這個區(qū)間CTE隨溫度升高而增加的幅度變小，它們之間的斜率小于第一個階段，即SiCp/Al的CTE趨于穩(wěn)定，隨溫度增加變化不明顯；（4）第四個階段為425℃～500℃，在這個溫度區(qū)間，CTE隨溫度的增加而略有降低。對于這一現(xiàn)象，筆者將對其機(jī)理進(jìn)行初步的探討。

圖1 CTE隨溫度的變化曲線

圖2 基體中所受應(yīng)力示意圖

為了便于分析，筆者假設(shè)SiC顆粒為球形，其表面均勻地包裹著一層Al合金，且其界面結(jié)合良好，無孔隙等缺陷，參考文獻(xiàn)[6]當(dāng)溫度有一ΔT變化時，基體中某點(diǎn)受力分析如圖2所示。

式中σr為徑向應(yīng)力，σθ為環(huán)向應(yīng)力，Vp為體積分?jǐn)?shù)，a為顆粒半經(jīng)，r為基體受力點(diǎn)到顆粒中心的徑向距離，P為界面應(yīng)力，α為CTE，υ為泊松比，E為彈性模量，ΔT為溫度差，m、p分別代表基體和增強(qiáng)相顆粒。

從式（1）～式（3）可看出，在其他參數(shù)一定時，隨著溫度差ΔT的增大，界面應(yīng)力P增大；在顆粒附近，基體中應(yīng)力隨r的減小而增大，在基體與顆粒增強(qiáng)相的界面處達(dá)到最大，塑性變形最可能開始于界面。當(dāng)顆粒附近基體某點(diǎn)的應(yīng)力滿足|σr-σθ|>σY時，此點(diǎn)將有產(chǎn)生塑性變形的傾向，σY為基體的拉伸屈服強(qiáng)度。

在SiCp/Al成形后的降溫過程中，由于基體的收縮程度遠(yuǎn)大于SiCp的收縮程度，所以基體中將產(chǎn)生拉應(yīng)力，而SiCp中將產(chǎn)生壓應(yīng)力。這些應(yīng)力隨著復(fù)合材料溫度的降低，而被“冷凍”起來。

在熱膨脹儀上測量CTE時，當(dāng)溫度從室溫逐漸升高到180℃的過程中，CTE與溫度是呈線性比例增加的。隨著溫度的繼續(xù)升高，當(dāng)溫度在180℃～250℃時，SiCp/Al的溫度-CTE曲線斜率顯著變大，這是因?yàn)楫?dāng)溫度升高時，由公式（3）可以得知復(fù)合材料中的界面應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)界面應(yīng)力達(dá)到一定值時，即|σr-σθ|>σY時，界面應(yīng)力將使鋁合金基體發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生了額外的變形量，這種額外的變形量，使SiCp/Al的溫度-CTE曲線斜率變大。當(dāng)溫度繼續(xù)增加，SiCp/Al的溫度-CTE曲線斜率開始變小，到425℃時斜率變?yōu)?，溫度繼續(xù)升高，斜率開始變?yōu)樨?fù)值，即CTE不再隨溫度的增加而增加。這主要是因?yàn)楫?dāng)升到較高溫度階段時，鋁合金基體強(qiáng)度降低，鋁合金開始有了較好的塑性，鋁基體中的界面應(yīng)力部分被消除，由應(yīng)力引起的膨脹減少，此外，具有一定強(qiáng)度的SiC預(yù)制件使鋁基體分割成許多部分，鋁基體的膨脹便被限制在SiC預(yù)制件的孔隙中，能很好束縛其膨脹，在這些因素的協(xié)同作用下，SiCp/Al的溫度-CTE曲線斜率開始變小甚至變?yōu)樨?fù)值。

3.2 熱循環(huán)對SiCp/Al熱膨脹性能的影響

圖3為熱循環(huán)對SiCp/Al 的CTE的影響，圖中5條CTE曲線分別對應(yīng)于處理前的鑄態(tài)、熱循環(huán)50次、100次、200次和300次時SiCp/Al的熱膨脹性能。由圖可知，在低溫階段（溫度小于180℃），處理前后SiCp/Al的CTE曲線基本重合，即在此溫度范圍內(nèi)熱循環(huán)對SiCp/Al的CTE無明顯影響。經(jīng)熱循環(huán)后，SiCp/Al在200℃～500℃之間的CTE明顯降低，當(dāng)熱循環(huán)進(jìn)行50次時，在室溫至500℃內(nèi)的平均CTE已從11.7×10-6/℃降到8.1×10-6/℃；繼續(xù)進(jìn)行熱循環(huán)SiCp/Al的CTE略有降低，當(dāng)熱循環(huán)進(jìn)行到200次和300次時，SiCp/Al的CTE在整個溫度區(qū)間內(nèi)已經(jīng)完全重合，室溫至500℃內(nèi)的平均CTE為7.5×10-6/℃。

圖3 熱循環(huán)對SiCp/Al 的CTE的影響

經(jīng)熱循環(huán)50次后測量的CTE，在180℃時未出現(xiàn)如處理前中的CTE躍升，這是因?yàn)榻?jīng)熱循環(huán)后，SiCp/Al中的殘余應(yīng)力被逐漸釋放，既使溫度升高其界面應(yīng)力也已不足以使鋁合金基體發(fā)生塑性變形，同時，SiC會對基體產(chǎn)生壓應(yīng)力，該壓應(yīng)力將抑制基體的膨脹，所以復(fù)合材料在180℃～300℃間CTE只有少量增加。隨著溫度繼續(xù)升高，鋁基體強(qiáng)度大大降低，此時SiCp/Al的殘余應(yīng)力被強(qiáng)度很低的鋁合金基體所吸收[7]，即殘余應(yīng)力得到了充分釋放。此外，由于低強(qiáng)度的鋁合金基體被分隔在SiC預(yù)制件的孔隙中，極大束縛了基體的膨脹，所以在300℃～500℃的區(qū)間內(nèi)，復(fù)合材料的CTE沒有隨溫度升高而增加，反而略有降低。

隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加，SiCp/Al中殘余應(yīng)力的釋放逐漸趨于平緩，其CTE開始變得穩(wěn)定，由圖3可知熱循環(huán)200次和300次時兩曲線已完全重合。

圖4為分別對SiCp/Al進(jìn)行退火處理和退火處理+熱循環(huán)處理后的CTE曲線，從圖中可以看出，在低溫階段，經(jīng)退火處理和退火處理+熱循環(huán)處理后SiCp/Al的CTE基本重合；在高溫階段，經(jīng)退火處理+熱循環(huán)處理后的SiCp/Al有更低的CTE。

圖4 不同處理對CTE的影響

3.3 熱循環(huán)對SiCp/Al熱導(dǎo)率的影響

圖5為熱循環(huán)對SiCp/Al熱導(dǎo)率的影響，由圖可知，隨著循環(huán)次數(shù)的增加SiCp/Al的熱導(dǎo)率有了一定的增加，然后其熱導(dǎo)率趨于穩(wěn)定。圖6為熱循環(huán)對鋁合金基體熱導(dǎo)率的影響，在熱循環(huán)的初始階段，基體的熱導(dǎo)率呈下降趨勢，但隨著循環(huán)次數(shù)的增加，其熱導(dǎo)率逐漸恢復(fù)到熱循環(huán)前的水平?？梢?，SiCp/Al熱導(dǎo)率的改善，不是由于基體的熱導(dǎo)率提高作用的結(jié)果，可能是增強(qiáng)體-基體界面出現(xiàn)了某種改善，以下筆者作進(jìn)一步的探討。

圖5 熱循環(huán)對SiCp/Al熱導(dǎo)率的影響

在SiCp/Al中，鋁合金基體主要通過自由電子的運(yùn)動導(dǎo)熱，而SiCp增強(qiáng)體主要是通過聲子運(yùn)動導(dǎo)熱。當(dāng)它們組成復(fù)合材料時，電子和聲子對材料熱傳導(dǎo)共同起作用。SiCp/Al在制造過程中，會產(chǎn)生大量界面，同時增加了缺陷產(chǎn)生的可能性，文獻(xiàn)[8]指出，在SiC顆粒加入后鋁基體中的位錯量比加入前增加了約100倍；此外，由于鋁基體、SiCp增強(qiáng)體之間熱膨脹的不匹配，使SiCp/Al中產(chǎn)生殘余應(yīng)力，而熱循環(huán)減少了復(fù)合材料中的殘余應(yīng)力，因此降低了因殘余應(yīng)力而引起的點(diǎn)陣畸變對電子和聲子運(yùn)動的阻礙作用，從而提高了復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。

圖6 熱循環(huán)對鋁基體熱導(dǎo)率的影響

3.4 熱循環(huán)對SiCp/Al彎曲強(qiáng)度的影響

材料的強(qiáng)度與其微觀結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，對復(fù)合材料而言，其強(qiáng)度與材料的界面和增強(qiáng)體的強(qiáng)度密切相關(guān)。在復(fù)合材料中，增強(qiáng)體與基體之間的界面負(fù)責(zé)傳遞加載時復(fù)合材料內(nèi)部的應(yīng)力。在復(fù)合材料的界面附近，材料物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的不連續(xù)性使增強(qiáng)體和基體合金之間產(chǎn)生了熱力學(xué)不平衡，因此，界面結(jié)構(gòu)對載荷的傳遞和斷裂過程起著決定性的作用。當(dāng)復(fù)合材料承受外加載荷時，產(chǎn)生的應(yīng)力在材料內(nèi)部分布不均勻，界面的結(jié)構(gòu)會改變應(yīng)力的分布，材料的界面越宏觀，越易形成應(yīng)力集中，界面?zhèn)鬟f應(yīng)力的能力就會下降[9]。SiCp與鋁合金之間的界面結(jié)合主要屬于機(jī)械結(jié)合，在增強(qiáng)體與基體合金之間主要依靠粗糙表面互鎖作用進(jìn)行連接。由圖7可知，SiCp/Al中增強(qiáng)體SiCp與基體之間的界面結(jié)合良好，使復(fù)合材料的界面能很好地傳遞載荷。

圖7 SiCp/Al的斷面SEM形貌

圖8為熱循環(huán)對SiCp/Al彎曲強(qiáng)度的影響，由圖可知，SiCp/Al的強(qiáng)度隨著循環(huán)次數(shù)的增多先稍有增加，然后呈下降的趨勢，該現(xiàn)象與復(fù)合材料在熱循環(huán)中鋁合金基體發(fā)生了時效作用有關(guān)。由于實(shí)驗(yàn)中熱循環(huán)的上限溫度約為200℃，在鋁合金最佳的時效溫度范圍內(nèi)[10]，在熱循環(huán)的前50次時，對復(fù)合材料中的鋁基體而言，相當(dāng)于時效了近2h，基體強(qiáng)度提高，表現(xiàn)為復(fù)合材料的強(qiáng)度有所增加，但隨著循環(huán)次數(shù)的增加，即時效時間的延長，鋁合金發(fā)生了過時效，鋁基體的強(qiáng)度將呈下降趨勢，這直接導(dǎo)致了復(fù)合材料強(qiáng)度的降低?？梢姡^多次數(shù)的熱循環(huán)對復(fù)合材料的強(qiáng)度反而不利。

圖8 熱循環(huán)對彎曲強(qiáng)度的影響

4 結(jié)論

（1）對鑄態(tài)SiCp/Al的CTE曲線進(jìn)行了分析，在不同的溫度范圍內(nèi)SiCp/Al的熱膨脹行為由不同的因素控制。

（2）殘余應(yīng)力對SiCp/Al的性能有很大的影響，熱循環(huán)可以顯著降低SiCp/Al中的殘余應(yīng)力。

（3）經(jīng)熱循環(huán)后SiCp/Al的CTE顯著降低，30℃～500℃之間的平均CTE為7.5×10-6/℃；熱導(dǎo)率有所提高，達(dá)175W（m·K）-1；抗彎強(qiáng)度比處理前有所降低，為354MPa。

（4）在低溫階段，經(jīng)退火處理和退火處理+熱循環(huán)處理后SiCp/Al的CTE基本重合；在高溫階段，經(jīng)退火處理+熱循環(huán)處理后的SiCp/Al具有更低的CTE。

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