负膨胀β-锂霞石/铜复合材料微观组织与热物理性能

摘要

当前广泛研究金属基复合材料体系中所选增强体膨胀系数在2-8×10-6℃-1范围内。通常情况下，为了满足电子封装应用等对低膨胀系数的要求，复合材料增强体体积分数在50-70％的范围内。而复合材料的高体积分数就意味着导热、导电性能及加工成型能力的劣化。针对上述问题，选择负膨胀材料作为金属基复合材料的增强体，在复合材料增强体体积分数较低的状态下获得低热膨胀系数，以改善复合材料的导热性能和加工成型能力具有诱人的发展前景。本文选择负膨胀β-锂霞石（Euc）作为铜基复合材料的增强体，在利用粉末冶金工艺制备β-锂霞石/铜复合材料（Euc/Cu）基础上，通过对影响金属基复合材料性能的因素调控，深入研究了Euc/Cu复合材料微观组织状态、界面状态、烧结工艺、残余应力和热物理性能之间的关系。
　　通过对原材料颗粒尺寸的调整，利用热压烧结工艺制备了不同颗粒尺寸的Euc/Cu复合材料。增强体和基体颗粒尺寸降低，复合材料微观组织细化程度增加，复合材料中的残余应力降低。增强体和基体颗粒尺寸的降低对烧结态Euc/Cu复合材料热膨胀行为存在显著影响。增强体和基体颗粒尺寸越小，烧结态复合材料的热膨胀系数较高。研究表明，颗粒尺寸降低复合材料中弱界面结合的比例增加，残余应力松弛容易并且对复合材料热膨胀行为的影响更大。适当基体和增强体颗粒尺寸分布有利于复合材料获得低的热膨胀系数和良好的尺寸稳定性。复合材料热导率随着增强体和基体颗粒尺寸的降低而降低。
　　通过增强体表面涂层处理，利用热压烧结工艺制备了Ag涂覆Euc/Cu复合材料（Euc/Cu-Ag）。Euc颗粒分散均匀，复合材料界面光滑清晰，无界面反应。结果表明，Euc颗粒表面的Ag涂覆处理，显著地改善了复合材料的界面结合状态。残余应力松弛对烧结态复合材料的热膨胀系数产生显著影响。烧结态复合材料热膨胀系数较高，热循环处理后复合材料获得了低的热膨胀系数。Euc/Cu-Ag复合材料的热膨胀行为受多种残余应力松弛机制的影响：热弹性松弛、基体的塑性变形和回复等。复合材料获得了较高的室温热导率，Euc颗粒表面的Ag向Cu基体的扩散和析出使复合材料热导率有一定程度的降低。
　　通过基体合金化，采用热压烧结工艺制备了Euc/Cu-0.7wt%Al复合材料（Euc/Cu-Al）。烧结态复合材料的界面呈锯齿状，存在微弱界面反应；热循环处理后，复合材料中局部界面反应程度提高。研究表明，界面反应显著提高了复合材料的界面结合强度。残余应力松弛引起了烧结态复合材料热膨胀系数的反常现象；热循环后，复合材料获得了低的热膨胀系数，而且，热膨胀系数随温度变化保持很高的稳定性。复合材料中残余应力的松弛方式以热弹性松弛为主。Euc/Cu-Al复合材料获得了较好的热导率。热循环处理有助于改善复合材料的界面热阻。
　　在Euc颗粒表面Ag涂覆的基础上，利用SPS烧结技术，通过体积分数的调节获得了具有不同残余应力大小的SPS-Euc/Cu-Ag复合材料。随Euc颗粒体积分数增加，残余应力线性增加。当复合材料体积分数较高时，烧结态复合材料 Euc颗粒中发现了一种新的LiAlSiO4同素异形结构的亚稳相（C-相），具有简单立方结构，点阵参数为0.435nm；热循环后，Euc颗粒中的C-相消失转变为另一种新的具有特殊形貌和未知结构的结晶相。研究表明，在高体积分数复合材料中的Euc颗粒的相转变，对SPS-Euc/Cu-Ag复合材料的热膨胀行为存在显著影响。结合原位XRD分析和微观组织观察，给出了Euc颗粒相转变对复合材料热膨胀行为的影响机制。

目录

负膨胀β-锂霞石/铜复合材料微观组织与热物理性能

MICROSTRUCTURE AND THERMOPHYSICAL PROPERTIES OF NEGATIVE EXPANSIONβ-EUCRYPTITE/COPPER COMPOSITES

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 研究背景及研究目的和意义

1.2 金属电子封装材料

1.3 金属基复合材料制备方法

1.4界面对金属基复合材料性能的影响

1.5金属基复合材料热物理性能理论模型

1.6 负膨胀β-锂霞石

1.7 本文主要研究内容

第2章 试验材料与试验方法

2.1 试验材料

2.2 复合材料设计

2.3 复合材料制备工艺

2.4 复合材料X射线衍射分析

2.5 复合材料微观组织结构分析

2.6 复合材料热物理性能表征

第3章 颗粒尺寸对Euc/Cu复合材料微观组织和热物理性能的影响

3.1 引言

3.2 不同颗粒尺寸Euc/Cu复合材料物相分析

3.3 颗粒尺寸对Euc/Cu复合材料微观组织的影响

3.4 颗粒尺寸对Euc/Cu复合材料宏观残余应力的影响

3.5颗粒尺寸对Euc/Cu复合材料热膨胀行为的影响

3.6 颗粒尺寸对Euc/Cu复合材料室温热导率的影响

3.7 本章小结

第4章 热压烧结Euc/Cu-Ag复合材料微观组织和热物理性能

4.1 引言

4.2 Euc/Cu-Ag复合材料物相分析

4.3 Euc/Cu-Ag复合材料微观组织结构分析

4.4 Euc/Cu-Ag复合材料热膨胀行为研究

4.5 Euc/Cu-Ag复合材料热膨胀机制分析

4.6 Euc/Cu-Ag复合材料室温导热性能研究

4.7 本章小结

第5章 热压烧结Euc/Cu-Al复合材料微观组织和热物理性能

5.1 引言

5.2 Euc/Cu-Al复合材料相成分分析

5.3 Euc/Cu-Al复合材料微观组织结构分析

5.4 Euc/Cu-Al复合材料热膨胀行为

5.5 Euc/Cu-Al复合材料热膨胀行为分析

5.6 Euc/Cu-Al复合材料室温导热性能研究

5.7 本章小结

第6章 SPS烧结Euc/Cu-Ag复合材料微观组织和热膨胀行为

6.1引言

6.2 SPS-Euc/Cu-Ag复合材料X射线衍射分析

6.3 SPS-Euc/Cu-Ag复合材料微观组织观察

6.4 SPS-Euc/Cu-Ag复合材料热膨胀行为

6.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历