铝硅功能梯度材料的粉末冶金制备工艺及性能研究

摘要

铝硅合金作为新一代电子封装材料,具有低密度、高热导、低热膨胀系数、良好的加工焊接性,有望在航天航空、电子科技中得到广泛应用。近些年来,随着Sip/Al电子封装材料在航天航空等领域的应用研究不断深入,但其研究主要偏重其热膨胀系数、热导率及强度等热力学性能,而忽略其气密性及后续的机加工和封焊问题。针对上述问题,提出制备铝硅功能梯度材料(FGM)。
　　论文通过比较各种制备功能梯度材料的方法,提出采用粉末冶金热压法制备铝硅功能梯度材料(FGM)。根据实验成分设计,系统研究了热压温度、压力以及烧结温度、时间对梯度材料性能的影响,并通过理论模型计算和实验测试对比分析梯度材料的热导率、热膨胀系数性能与单一组分铝硅复合材料的性能差异。论文还采用ANSYS有限元分析软件对铝硅梯度材料的热导率、热应力进行模拟,探究其热导率和热应力随硅含量增加、梯度结构的变化情况,取得了以下成果:
　　(1)经热压(HP)烧结及热等静压(HIP)致密化,材料密度约为2.4～2.5g/cm3,增强体颗粒细小,各层含量分布均匀,热膨胀系数和热导率分别11.7×10-6/K,121W/m·K,抗弯强度为228MPa,各层硬度分别为132、151和170HB,满足电子封装要求。
　　(2)随着烧结时间的延长和烧结温度的增加,铝硅梯度材料的颗粒长大,部分区域铝液的流失,出现成分偏析,密度下降,降低材料的各项性能。
　　(3)通过多个理论模型的计算分别得到铝硅复合材料的热导率值和热膨胀系数随着硅含量的增加而降低。测试比较得到Al-Si五层梯度材料(Al-40Si/Al-50Si/Al-65Si/Al-50Si/Al-40Si)的热导率、热膨胀系数与Al-50Si的性能相近。
　　(4)利用ANSYS有限元分析软件,建立Al-Si平面多颗粒随机分布模型及三层、五层随机分布梯度模型,研究Sip/Al复合材料增强相体积分数和基体对复合材料的热导率的影响。结果表明,理论模型计算结果与有限元分析结果相一致,Sip/Al复合材料的热导率随体积分数增加而下降,Al基体复合材热导率高于Al-12Si复合材料热导率,而Al-Si梯度材料的宏观热导率略低于模拟值。
　　(5)以Al-50Si、Al-Si三层梯度材料(Al-40Si/Al-50Si/Al-65Si)和Al-Si五层梯度材料(Al-40Si/Al-50Si/Al-65Si/Al-50Si/Al-40Si)为分析对象,模拟并比较在工作环境中温度场分布和热应力分布,较Al-Si三层梯度材料而言,Al-Si五层梯度材料热应力缓和,形变较小。

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第一章 绪论

1.1 前言

1.2 电子封装材料种类

1.3 Al-Si电子封装材料研究现状及制备方法

1.4 功能梯度材料（FGM）现状及制备方法

1.5 有限元分析在材料中的应用

1.6 本文研究背景、内容及课题来源

第二章 Al-Si功能梯度材料（FGM）制备工艺及测试方法

2.1 实验原料及方法

2.2 性能测试及仪器方法

第三章 Al-Si功能梯度材料（FGM）性能研究

3.1 铝硅复合材料理论密度计算

3.2 热压温度的选择及致密化

3.3 烧结工艺对梯度材料密度的影响

3.4 显微组织

3.5 热膨胀系数

3.6 热导率

3.7 梯度材料力学性能

3.8 材料成分分析

3.9 样品机加工形貌

第四章 Al-Si功能梯度材料（FGM）的有限元分析

4.1 Al-Si复合材料有限元计算

4.2 稳态热导率的有限元解法

4.3 有限元模型建立及分析步骤

4.4 模型的边界条件及求解过程

4.5 不同模型计算复合材料的热导率的研究

4.6 不同基体对复合材料的热导率的影响

4.7 梯度材料的热导率的模拟与实验

4.8 复合材料的热应力模拟与分析

4.9 本章小结

第五章 总结

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果