熔铸法制备Al-50wt.%Si复合材料的工艺及性能研究

发布时间：2020-06-11 09:47

【摘要】：含高体积分数硅Al-Si复合材料具有密度低、热膨胀系数低和热导率高的特性,是一种性能优良的电子封装材料。采用熔铸法制备这种复合材料,具有致密度高、界面结合强度高和成本低廉的优点,但是熔铸法制备的含高体积分数硅的Al-Si复合材料的凝固组织中存在粗大的板片状初晶硅,严重恶化了这种材料的力学性能和物理性能,因此,必须采取各种工艺措施改变初晶硅相的尺寸、形态和分布,以提高其性能。本文采用熔铸法制备Al-50wt.%Si复合材料,分别研究了熔体过热处理、稀土变质、磷变质对Al-50wt.%Si复合材料微观组织的影响及作用机理,并对熔铸法制备的Al-50wt.%Si复合材料的抗弯性能、热导率和热膨胀系数进行了研究,研究结果及结论如下:(1)研究了熔体过热处理对Al-50wt.%Si复合材料凝固组织的影响,在1150~1450℃温度区间内对Al-50wt.%Si复合材料熔体进行过热处理,结果表明:凝固后的Al-50wt.%Si复合材料中的初晶硅及共晶硅的尺寸和形态均未发生明显改善,初晶硅仍为粗大的板片状,共晶硅仍为细长针状,说明在该温度范围内熔体过热处理对Al-50wt.%Si复合材料凝固组织的影响很小。(2)研究了混合稀土变质处理对Al-50wt.%Si复合材料凝固组织的影响,加入0.4~1.2wt.%的混合稀土对Al-50wt.%Si复合材料熔体进行变质处理,研究结果表明:稀土元素对Al-50wt.%Si复合材料凝固组织中的共晶硅有明显的细化和变质效果,使共晶硅的形态由针状转变为颗粒状,稀土加入量为1.2%时,对共晶硅变质效果达到最佳。然而,稀土变质对Al-50wt.%Si复合材料中的初晶硅没有明显的细化效果。(3)研究了P变质对Al-50wt.%Si复合材料微观组织中初晶硅凝固形态的作用,采用Al-3P中间合金对Al-50wt.%Si复合材料熔体进行变质处理,结果表明:磷元素对Al-50wt.%Si复合材料中初晶硅的凝固形态有显著的变质作用,使其尺寸和形态均发生明显变化,当P加入量为0.5wt.%时,变质效果达到最佳,初晶硅的形貌由粗大的板条状转变为细小均匀的多角块状,平均尺寸减小到40μm。(4)采用XRD、SEM-EDS、热分析方法研究了P对初晶硅变质的机理。结果表明:加入P后熔体中形成了大量的AIP粒子,作为初晶硅凝固的异质晶核,极大地提高了初晶硅的形核率,使其细化并均匀分布。P变质使复合材料中初晶硅大量结晶的临界过冷度比未变质时减少9.2℃。(5)P变质显著改善了Al-50wt.%Si复合材料中初晶硅和共晶硅的形态,使得材料的抗弯强度和热导率均得到显著提高,当P加入量为0.5%时,Al-50wt.%Si复合材料的抗弯强度和热导率均达到最高,其中,抗弯强度达到206.27 MPa,是未变质时的3.12倍,热导率达到131.25 W/(m·K),是未变质时的1.57倍,而P变质前后Al-50wt.%Si复合材料的热膨胀系数没有明显改变。
【图文】：

示意图,喷射沉积工艺,示意图,工艺综合

图 1. 1 喷射沉积工艺示意图hematic drawing of spray deposition process以看出，该工艺综合了快速凝固和半固体积分数 Al-Si 复合材料具有以下优点

流程图,粉末冶金工艺,流程图

其具体工艺流程如图 1.2 所示。1910 年，美国研究者库成功制得了致密的钨制品，故其被西方学者称为近代粉末世纪的不断发展，，粉末冶金工艺已经取得长足的发展，被上世纪六十年代开始，粉末冶金工艺开始被应用在制备含复合材料，粉末冶金工艺制备的该复合材料有很多优点，比比例配制粉体，几乎不受硅含量和材料熔点的限制，且能再分配和成分偏析。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB333

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