三维网络结构3D-Si/Al复合材料微观组织设计及性能研究

摘要

本文设计并制备了Si/Al复合材料。利用光学显微镜（OM）、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)等多种手段对复合材料的微观组织及其形成机理进行了系统的研究，用热膨胀分析仪、热导率和电导率测试仪、布氏硬度和三点弯曲测试了复合材料的物理性能和力学性能，并分析了相关的影响因素。
　　本文从材料微观组织设计的角度出发提出了热融合的方法，使Sip/Al复合材料中的增强体Si形成独特的三维网络结构，优化了Si-Al界面，并在基体中析出Si相，降低了复合材料的热膨胀系数，改善了复合材料的力学性能；对热融合进行分析后，提出了实现热融合的条件。研究表明，热融合是一个原子扩散的过程。可分为基体的熔化、颗粒的溶解、联结和基体的凝固等三个阶段，增强体形貌经过了钝化(球化)、小颗粒溶解、大颗粒间互相联结等一系列演变；本文研究的Si-Al体系适用于Gibbs-Thomas效应，基于Gibbs-Thomas效应，建立了颗粒溶解、联结模型并对热融合的各个阶段进行了解释。
　　预备材料基体合金中的存在大量的位错，Si-Al界面平直干净，没有界面反应物生成；三维网络结构3D-Si/Al复合材料界面是光滑的曲面，界面处及基体合金中有细小弥散Si的析出。
　　论文研究的Si/Al复合材料其平均线膨胀系数（20℃-100℃）介于7.4～10.1×10-6/℃之间，热导率介于112～168W/(m℃)之间，电导率介于6.5～8％IACS之间。随着温度的升高，复合材料热膨胀系数呈现增加的趋势，热导率呈下降趋势；预备材料的热膨胀系数、导热率及导电率均随着Si元素含量的增加而逐渐下降，随着增强体颗粒尺寸的减小而减小；退火处理降低了预备材料的线膨胀系数，提高了热导率和电导率；热融合处理使复合材料热膨胀系数降低了9%～10.5%，基本没有改变导热导电性能。利用EMA（有效介质近似）方法计算出Si/Al复合材料的界面热阻值在0.2～0.3×10-9m2·℃/W之间。
　　预备材料布氏硬度介于239～322之间，弯曲强度在194MPa～328MP之间。随着增强体颗粒尺寸的增加及含量的降低，复合材料的硬度逐渐减小；退火处理降低了复合材料强度；热融合处理后复合材料弯曲强度增加了约14MPa；断口分析表明：断裂方式以脆性断裂为主，微观上包括界面剥离和脆性Si颗粒的断裂。复合材料的杨氏模量随着增强体含量的增加而增加，与颗粒尺寸分布无关；基体合金的弹性模量高，其复合材料的弹性模量也高；预备材料的弹性模量随着增强体体积份数的增加而增加，并且大致呈线性增加；三维网络化结构对弹性模量的贡献很小；可用H-S模型下限值预测复合材料的弹性模量。

目录

三维网络结构3D-Si/Al复合材料微观组织设计及性能研究

STUDY ON MICROSTRUCTURE DESIGN AND PROPERTIES OF 3-D NETWORK 3D-SI/Al COMPOSITES

摘要

Abstract

目录

Contents

第1章 绪 论

1.1引言

1.2颗粒增强铝基复合材料

1.2.2 增强体

1.2.3 Sip/Al复合材料

1.2.4 Sip/Al复合材料的制备

1.3 三维网络结构3D-Si/Al复合材料

1.3.1 三维网络结构金属基复合材料的发展概况

1.3.2三维网络结构金属基复合材料的制备方法

1.4 3D-Si/Al复合材料性能的影响因素

1.4.1热膨胀性能

1.4.2导热性能

1.4.3力学性能

1.5 3D-Si/Al复合材料研究中存在的问题及发展趋势

1.6 本文的研究目的和研究内容

第2章 材料与试验方法

2.1 试验材料

2.2试验方法

2.2.1 密度测试

2.2.2热膨胀系数测试

2.2.3热导率测试

2.2.4电导率测试

2.2.5 硬度测试

2.2.6弯曲性能测试

2.2.7显微组织观察

第3章 3D-Si/Al复合材料预备材料设计与制备

3.1基体合金的选择

3.1.1 基体合金中Si含量对Sip/Al复合材料热膨胀性能的影响

3.1.2 基体合金中Si含量对Sip/Al复合材料导热性能的影响

3.1.3 基体合金中Si含量对Sip/Al复合材料导电性能的影响

3.1.4 基体合金中Si含量对Sip/Al复合材料力学性能的影响

3.2 增强体颗粒的选择

3.2.1 增强体颗粒尺寸对Sip/Al复合材料性能的影响

3.2.2 增强体颗粒含量对Sip/Al复合材料性能的影响

3.3 Sip/Al复合材料制备工艺

3.3.1 预制块制备

3.3.2 复合材料制备工艺

3.4 本章小结

第4章 3D-Si/Al复合材料制备及形成机理

4. 1 3D-Si/Al复合材料性能优化分析与设计

4.1.1 3D-Si/Al复合材料热膨胀性能优化分析与设计

4.1.2 3D-Si/Al复合材料导热、导电性能分析与设计

4.1.3 3D-Si/Al复合材料弯曲性能分析与设计

4.1.4 热融合概念的提出及3D-Si/Al复合材料制备

4.2 热融合影响因素的分析

4.2.1 热融合热力学条件分析

4.2.2 温度对热融合的影响规律

4.2.3 时间对热融合的影响规律

4.2.4 压力对热融合的影响规律

4.3 3D-Si/Al复合材料形成机理研究

4.3.1 热融合的扩散机理

4.3.2 热融合过程中Si相形貌的演变

4.3.3 热融合过程分析

4.3.4 热融合的机理分析

4.4 本章小结

第5章 3D-Si/Al复合材料微观组织及性能

5.1 3D-Si/Al复合材料微观组织

5.1.1 3D-Si/Al复合材料Si增强体的微观结构

5.1.2 3D-Si/Al复合材料中基体铝合金的显微组织特征

5.1.3 3D-Si/Al复合材料界面的显微组织特征

5.2 3D-Si/Al复合材料物理性能

5.2.1 3D-Si/Al复合材料热膨胀性能

5.2.2 3D-Si/Al复合材料导热性能

5.2.3 3D-Si/Al复合材料导电性能

5.3 3D-Si/Al复合材料力学性能

5.4 典型器件开发

5.4.1 表面化学镀镍

5.4.2封装焊接

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士期间发表的论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历