熱循環(huán)對SiCp/Al復合材料性能影響的研究

牛 通

（南京電子技術研究所，南京 210013）

1 前言

隨著航空航天、大規(guī)模集成電路、高功率軍事通信設備等方面的不斷發(fā)展，傳統的電子封裝材料己經逐漸滿足不了這些領域的要求，而SiCp/Al復合材料具有高熱導率、低線膨脹系數、密度小等優(yōu)點，因此具有廣闊的應用前景[1～3]。同時，SiCp/Al復合材料制成的器件如雷達收發(fā)組件、大功率發(fā)射機、空間光學望遠鏡系統等，經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)。關于溫度波動對SiCp/Al復合材料及器件性能的影響報道較少。為此，筆者從材料的角度，研究了熱循環(huán)對SiCp/Al復合材料的CTE、熱導率和彎曲強度的影響，以便在SiCp/Al復合材料設計及使用時，爭取把不利影響降到最低限度，使SiCp/Al復合材料制成的器件能穩(wěn)定、正常地工作。

2 實驗

2.1 實驗材料

實驗中所用的SiCp/Al復合材料（以下簡稱SiCp/Al）是從國防科技大學采購，其中SiCp體積分數為64%，鋁合金基體為Al6063，增強體SiC顆粒采用三種粒度搭配，平均粒徑分別為45μm、20μm和10μm。

2.2 實驗過程

根據器件實際的工作溫度，制定如下熱循環(huán)實驗過程：首先準備好200℃的油浴和0℃的冰水混合物，把SiCp/Al放進油浴中保溫90s后，迅速放進冰水混合物中，冷卻后取出，拭去SiCp/Al表面的水后，再放進油浴中，如此反復進行。在實驗中，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）、熱導率和彎曲強度。

2.3 測量方法

熱膨脹系數在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℃。熱導率的測量依照國家標準GB11108-89，熱擴散系數采用JR-3型激光導熱儀測定，所用樣品尺寸為Ф10mm×4mm。三點彎曲強度的測量依照國家標準GB10422-79，在WDW-100材料萬能實驗機上進行，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[4]、[5]的研究結果一致。根據熱膨脹數值的變化規(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，CTE與溫度是成比例增加的線性關系；（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。對于這一現象，筆者將對其機理進行初步的探討。

圖1 CTE隨溫度的變化曲線

圖2 基體中所受應力示意圖

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

式中σr為徑向應力，σθ為環(huán)向應力，Vp為體積分數，a為顆粒半經，r為基體受力點到顆粒中心的徑向距離，P為界面應力，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相顆粒。

從式（1）～式（3）可看出，在其他參數一定時，隨著溫度差ΔT的增大，界面應力P增大；在顆粒附近，基體中應力隨r的減小而增大，在基體與顆粒增強相的界面處達到最大，塑性變形最可能開始于界面。當顆粒附近基體某點的應力滿足|σr-σθ|>σY時，此點將有產生塑性變形的傾向，σY為基體的拉伸屈服強度。

在SiCp/Al成形后的降溫過程中，由于基體的收縮程度遠大于SiCp的收縮程度，所以基體中將產生拉應力，而SiCp中將產生壓應力。這些應力隨著復合材料溫度的降低，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，當溫度在180℃～250℃時，SiCp/Al的溫度-CTE曲線斜率顯著變大，這是因為當溫度升高時，由公式（3）可以得知復合材料中的界面應力逐漸增大，當界面應力達到一定值時，即|σr-σθ|>σY時，界面應力將使鋁合金基體發(fā)生塑性變形，產生了額外的變形量，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)樨撝担碈TE不再隨溫度的增加而增加。這主要是因為當升到較高溫度階段時，鋁合金基體強度降低，鋁合金開始有了較好的塑性，鋁基體中的界面應力部分被消除，由應力引起的膨脹減少，此外，具有一定強度的SiC預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預制件的孔隙中，能很好束縛其膨脹，在這些因素的協同作用下，SiCp/Al的溫度-CTE曲線斜率開始變小甚至變?yōu)樨撝怠?/p>

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，即在此溫度范圍內熱循環(huán)對SiCp/Al的CTE無明顯影響。經熱循環(huán)后，SiCp/Al在200℃～500℃之間的CTE明顯降低，當熱循環(huán)進行50次時，在室溫至500℃內的平均CTE已從11.7×10-6/℃降到8.1×10-6/℃；繼續(xù)進行熱循環(huán)SiCp/Al的CTE略有降低，當熱循環(huán)進行到200次和300次時，SiCp/Al的CTE在整個溫度區(qū)間內已經完全重合，室溫至500℃內的平均CTE為7.5×10-6/℃。

圖3 熱循環(huán)對SiCp/Al 的CTE的影響

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

隨著熱循環(huán)次數的增加，SiCp/Al中殘余應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熱導率的影響

圖5為熱循環(huán)對SiCp/Al熱導率的影響，由圖可知，隨著循環(huán)次數的增加SiCp/Al的熱導率有了一定的增加，然后其熱導率趨于穩(wěn)定。圖6為熱循環(huán)對鋁合金基體熱導率的影響，在熱循環(huán)的初始階段，基體的熱導率呈下降趨勢，但隨著循環(huán)次數的增加，其熱導率逐漸恢復到熱循環(huán)前的水平。可見，SiCp/Al熱導率的改善，不是由于基體的熱導率提高作用的結果，可能是增強體-基體界面出現了某種改善，以下筆者作進一步的探討。

圖5 熱循環(huán)對SiCp/Al熱導率的影響

在SiCp/Al中，鋁合金基體主要通過自由電子的運動導熱，而SiCp增強體主要是通過聲子運動導熱。當它們組成復合材料時，電子和聲子對材料熱傳導共同起作用。SiCp/Al在制造過程中，會產生大量界面，同時增加了缺陷產生的可能性，文獻[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增強體之間熱膨脹的不匹配，使SiCp/Al中產生殘余應力，而熱循環(huán)減少了復合材料中的殘余應力，因此降低了因殘余應力而引起的點陣畸變對電子和聲子運動的阻礙作用，從而提高了復合材料的熱導率。

圖6 熱循環(huán)對鋁基體熱導率的影響

3.4 熱循環(huán)對SiCp/Al彎曲強度的影響

材料的強度與其微觀結構有密切關系，對復合材料而言，其強度與材料的界面和增強體的強度密切相關。在復合材料中，增強體與基體之間的界面負責傳遞加載時復合材料內部的應力。在復合材料的界面附近，材料物理性質和化學性質的不連續(xù)性使增強體和基體合金之間產生了熱力學不平衡，因此，界面結構對載荷的傳遞和斷裂過程起著決定性的作用。當復合材料承受外加載荷時，產生的應力在材料內部分布不均勻，界面的結構會改變應力的分布，材料的界面越宏觀，越易形成應力集中，界面?zhèn)鬟f應力的能力就會下降[9]。SiCp與鋁合金之間的界面結合主要屬于機械結合，在增強體與基體合金之間主要依靠粗糙表面互鎖作用進行連接。由圖7可知，SiCp/Al中增強體SiCp與基體之間的界面結合良好，使復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彎曲強度的影響，由圖可知，SiCp/Al的強度隨著循環(huán)次數的增多先稍有增加，然后呈下降的趨勢，該現象與復合材料在熱循環(huán)中鋁合金基體發(fā)生了時效作用有關。由于實驗中熱循環(huán)的上限溫度約為200℃，在鋁合金最佳的時效溫度范圍內[10]，在熱循環(huán)的前50次時，對復合材料中的鋁基體而言，相當于時效了近2h，基體強度提高，表現為復合材料的強度有所增加，但隨著循環(huán)次數的增加，即時效時間的延長，鋁合金發(fā)生了過時效，鋁基體的強度將呈下降趨勢，這直接導致了復合材料強度的降低。可見，過多次數的熱循環(huán)對復合材料的強度反而不利。

圖8 熱循環(huán)對彎曲強度的影響

4 結論

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

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

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

（4）在低溫階段，經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，經退火處理+熱循環(huán)處理后的SiCp/Al具有更低的CTE。

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