粉末冶金法制备高体分碳化硅铝基复合材料的工艺方法

摘要

粉末冶金法制备高体分碳化硅铝基复合材料的工艺方法，它是依据级配理论，根据碳化硅粉50%-75%、铝粉25%-50%的体积分数要求选用不同粒径的碳化硅粉和铝粉混合搅拌后，按比例加入自制粘结剂（专利申请号：201310570472.6一种粉末冶金法生产碳化硅铝基复合材料用粘结剂）混合造粒，烘干过筛后压制成型，在400-650℃温度下分三段保温烧结。本发明工艺方法烧结温度低，成品率高，所得的SiC/Al复合材料的密度为2.9８g/cm3，100℃时膨胀系数为７.８５×10-6·K-1，热导率为１８９.03W（m·K）-1，抗弯强度452N。

说明书

技术领域

 本发明涉及金属基复合材料成型技术领域，特别是粉末冶金法制备高体分碳化硅铝基复合材料的工艺方法。

背景技术

碳化硅铝（SiCp/Al）基复合材料由于具有高比强、高比模、耐高温、耐磨、耐疲劳、热膨胀系数小、尺寸稳定性好等优异的综合性能，在航空航天、军工、汽车、电子等领域中应用前景广阔，已成为国内外重点研究开发的先进复合材料。碳化硅铝基复合材料的制备工艺有多种，但到目前为止，比较成熟的方法有粉末冶金法、铸造法、喷射沉积法、挤压渗透法和真空吸铸法。但最常用的和最有竞争力的方法是粉末冶金法。先将碳化硅颗粒和微晶铝合金粉按一定比例均匀混合，制得复合坯料，用模具经冷压成型，然后加热到固液两相区进行真空或气氛热压制成复合材料锭块，再经过二次加工制成型材和零件。

碳化硅铝基复合材料因用途不同，目前已开发了低体分即碳化硅体积分数≦25％，中体分即碳化硅体积分数≧25％，而≦50％，高体分即碳化硅体积分数≧50％，而≦75％等三个类别。这三个类别由于碳化硅体积分数量的不同，制备方法也各不相同。目前低体分和中体分碳化硅铝基复合材料制备工艺比较成熟，制备的产品成品率和物理性能还较理想。

随着信息技术的高速发展，电子器件中的芯片集成度越来越高，功率越来越大，对封装材料的散热要求也越来越高。同时芯片不断向大尺寸化发展，陶瓷基片也越来越薄，如果封装材料与芯片和陶瓷基片的热膨胀系数相差太大，就很容易引起芯片和陶瓷基片的炸裂或焊点、焊缝的开裂。高体积分数碳化硅铝基复合材料具有优异的热物理性能，且密度较低，是非常理想的电子封装材料。但是由于其本身高的脆性和硬度，使得该材料很难通过二次机械加工成所需要的形状，严重制约了该材料的应用。

对于高体分碳化硅铝基复合材料国内外多采用碳化硅预制件制备加渗铝复合的方法。如专利号：200710064281“一种复杂形状高体分比SiCp/Al复合材料的制备方法”，采用预制型骨架、温度至900～1200℃无压气氛浸渗的方法制备。专利号：201310151241“一种中高体分碳化硅铝基复合材料的制备方法及其装置”。 发明采用压力铸造法，公开了一种体积分数为45%～70%的中高体分碳化硅铝基复合材料的制备方法，并为该方法设计了专用保压/排气装置，将熔融的铝液倒入预热后的凹模，铝液受压后向碳化硅多孔骨架浸渗，获得碳化硅铝基复合材料。

碳化硅预制件制备加渗铝复合的方法。有以下方面的缺点：

一是制备碳化硅预制件需要采用高温（大于1000℃），烧结温度高、耗时长、能耗高。二是预制件渗铝合金熔液需在真空压力环境下进行，对设备性能、工艺要求高，难度大、成本高。三是得到的产品孔隙率大且高温烧结过程中容易产生杂相与有害界面相AI₄C₃，从而影响铝液的渗入和复合材料的整体性能，且成品率不高（70%）。

发明内容

本发明的目的在于提供一种烧结温度低、成品率高的粉末冶金法制备高体分碳化硅铝基复合材料的工艺方法。

本发明的工艺方法步骤如下：

a、依据级配理论，根据碳化硅粉50%-75%、铝粉25%-50%的体积分数要求选用粒径W10-W60碳化硅粉和粒径W1-30的铝粉，分别倒入混料机中混合搅拌均匀，制得复合合金粉末造粒坯料；

b、按复合合金粉末造粒坯料:粘结剂为5-10:1的质量比准确称量本发明人自制粘结剂（申请号：201310570472.6一种粉末冶金法生产碳化硅铝基复合材料用粘结剂，由8份植物蛋白、14份虫胶、3份聚氨酯胶粘剂分别溶于75份甘油溶剂而成），将复合合金粉末造粒坯料与粘结剂混合造粒；

c、将混合物在50-60℃烘干后过筛，在40-60Mpa下压制成型；

d、将压制成型的铝碳化硅生坯在烧结设备中氩气环境下从400℃-650℃分段保温烧结，得到高体积分数铝基碳化硅颗粒增强复合材料。

附图为本发明工艺流程示意图。

具体实施方式

实施例1：制备碳化硅体积分数为50%的SiC/Al复合材料。

a、碳化硅粉的体积百分比为50%，铝粉的体积百分比为50%；

b、依据级配理论，选用W50碳化硅粉40份、W10碳化硅粉10份、W15-16铝粉40份、W1-3铝粉10份分别倒入混料机中混合搅拌均匀，制得复合合金粉末造粒坯料；

c、按复合合金粉末造粒坯料:粘结剂为5-10:1的质量比，称量10份溶解好的自制粘结剂（申请号：201310570472.6一种粉末冶金法生产碳化硅铝基复合材料用粘结剂，由8份植物蛋白、14份虫胶、3份聚氨酯胶粘剂分别溶于75份甘油溶剂而成）与复合合金粉末造粒坯料混合造粒；

d、将混合物在50℃烘干后过筛，调节压力在50Mpa下压制成型；

e、将压制成型的铝碳化硅生坯在烧结设备中氩气环境下从室温升至410℃保温2小时，接着升温至500℃保温1小时，再升温至600℃保温烧结，即可得到高体积分数铝基碳化硅颗粒增强复合材料。

所得的SiC/Al复合材料的密度为2.92g/cm³，100℃时膨胀系数为8.96×10^-6·K^-1，热导率为210W（m·K）^-1，抗弯强度493.50N。

实施例2：制备碳化硅体积分数为70%的SiC/Al复合材料。

a、碳化硅粉的体积百分比为70%，铝粉的体积百分比为30%；

b、依据级配理论，选用W58碳化硅粉50份、W10碳化硅粉20份、W15-16铝粉10份、W7-8铝粉20份分别倒入混料机中混合搅拌均匀，制得复合合金粉末造粒坯料；

c、按复合合金粉末造粒坯料:粘结剂为5-10:1的质量比，称量12份溶解好的粘结剂与复合合金粉末造粒坯料混合造粒；

d、将混合物在55℃烘干后过筛，调节压力在60Mpa下压制成型；

e、将压制成型的铝碳化硅生坯在烧结设备中氩气环境下从室温升至420℃保温2.5小时，接着升温至520℃保温1小时，再升温至640℃保温烧结，即可得到高体积分数铝基碳化硅颗粒增强复合材料。

所得的SiC/Al复合材料的密度为2.9８g/cm³，100℃时膨胀系数为７.８５×10^-6·K^-1，热导率为１８９.03W（m·K）^-1，抗弯强度452N。