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畢業(yè)論文題目：偽半固態(tài)擠壓高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al復(fù)合材料性能分析
一、選題依據(jù)：
隨著信息時(shí)代的到來，電子工業(yè)得到了迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)和移動(dòng)電話等產(chǎn)品的迅速普及，使得電子產(chǎn)業(yè)成為最引人注目和最具發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)業(yè)之一，電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也帶動(dòng)了與之密切相關(guān)的電子封裝業(yè)的發(fā)展，其重要性越來越突出。電子封裝從早期的為芯片提供機(jī)械支撐、保護(hù)和電熱連接功能，逐漸融入到芯片制造技術(shù)和統(tǒng)集成技術(shù)之中。電子工業(yè)的發(fā)展離不開電子封裝的發(fā)展，20世紀(jì)最后二十年，隨微電子、光電子工業(yè)的巨變，為封裝技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了許多機(jī)遇和挑戰(zhàn)，各種先進(jìn)的封裝技術(shù)不斷涌現(xiàn)。
近年來， SiCp/A1復(fù)合材料發(fā)展十分迅速，特別是作為電子級(jí)功能復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)逐漸被人們所認(rèn)識(shí)，現(xiàn)已作為新型電子封裝材料重要開發(fā)方向之一。隨著航空、大規(guī)模集成電路、軍事通訊等方面的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的電子封裝材料已經(jīng)滿足不了這些領(lǐng)域的要求。例如:電子半導(dǎo)體集成度越來越高，所用的電子封裝材料要求有高的熱導(dǎo)率，低的線膨脹系數(shù);在航空方面，飛機(jī)起飛、導(dǎo)彈發(fā)射等，電子系統(tǒng)常伴隨激烈的溫度變化，所用電子封裝材料要求具有高的熱導(dǎo)率和低的線膨脹系數(shù)，同時(shí)其質(zhì)量也是必須考慮的重要因素。而傳統(tǒng)封裝金屬材料Al、Cu的線膨脹系數(shù)都較大，同器件匹配性能差，F(xiàn)e - Ni合金熱導(dǎo)率低、密度大,均存在一定缺陷。而SiC顆粒增強(qiáng)Al基復(fù)合材料具有高熱導(dǎo)率、低線膨脹系數(shù)、密度小等優(yōu)點(diǎn),因而用作新型電子封裝材料前景廣闊[1]。
SiCp/Al 復(fù)合材料是由連續(xù)狀的Al及Al合金與多形態(tài)的SiC顆粒所構(gòu)成的。作為金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)物，SiC顆粒具有高模量、高硬度、低熱膨脹、高熱導(dǎo)率、來源廣泛、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。而作為基體材料，Al合金具有低密度(2.7g/cm3)，高熱導(dǎo)率，價(jià)格低廉以及熱加工容易等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是熱膨脹系數(shù)較高。綜合以上因素，并考慮到電子封裝材料必須具備很低的且與基底匹配的熱膨脹系數(shù)(CTE)，高的熱導(dǎo)率，高剛度，低密度，及低成本等特性，將二者復(fù)合而成顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料后，材料具有了Al 和SiC二者的優(yōu)點(diǎn)，即高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)、高強(qiáng)度、低密度等，這些特性幾乎代表了理想封裝材料的所有性能要求，這使得顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料(SiCp/Al)成為電子封裝用金屬基復(fù)合材料中倍受矚目、研究最多、潛在應(yīng)用最廣的復(fù)合材料。具體來說，這種材料的綜合性能優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)可根據(jù)所需要求進(jìn)行設(shè)計(jì);例如，通過控制 SiC的百分含量、具體合金成分、復(fù)合材料的熱處理方法可調(diào)整復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率。(2)良好的力學(xué)性能， 如高的比強(qiáng)度和比剛度。(3)具有很好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。一方面制備方法可以沿用傳統(tǒng)的工藝方法，如鑄造工藝，最近在壓力或無壓滲透方面進(jìn)展，使 SiC顆粒的百分含量顯著提高;采用合適的方法，SiCp/Al復(fù)合材料可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的凈成型或近凈成型。 另一方面SiC顆粒(微米級(jí))價(jià)格便宜，來源豐富。因此，對(duì) SiCp/Al這種新型復(fù)合材料進(jìn)行深入研究是很有意義的。
二、文獻(xiàn)綜述：
正是因?yàn)?SiCp/Al 復(fù)合材料有這些顯著的優(yōu)勢(shì)，從 80 年代開始，國(guó)外的一些研究部門投入了大量人力、物力以及財(cái)力致力于SiCp/Al復(fù)合材料的研究，并已首先在航空航天、光學(xué)、儀表等領(lǐng)域取得了實(shí)際的應(yīng)用[2]。例如：美國(guó)下一代主力戰(zhàn)機(jī) F-22“猛禽”上的自動(dòng)駕駛儀、發(fā)電單元、抬頭顯示器、電子計(jì)數(shù)測(cè)量陣列上廣泛采用高體積分?jǐn)?shù) SiCp/Al 復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料(如包 Cu 的 Mo,W/Cu等)做封裝和熱沉構(gòu)件，取得減重70%以上的顯著效果;同時(shí)因?yàn)檫@種材料具有的很高熱導(dǎo)率(一般高于 150W/m.k)，從而顯著降低電子模塊的工作溫度，提高電子設(shè)備工作的可靠性。此外國(guó)外也有采用這種電子封裝材料取代 W/Cu 合金作為相控陣?yán)走_(dá)的封裝底座，取得減重 80%以上的驚人效果。1988年美國(guó)ACMC公司采用光學(xué)級(jí)SiCp/Al復(fù)合材料研制成超輕空間望遠(yuǎn)鏡的主反射鏡和次反射鏡，比傳統(tǒng)的反射鏡重量減輕了 50%以上。英國(guó)航天金屬基復(fù)合材料公司(AMC)采用機(jī)械合金化法制備出高剛度、耐疲勞的SiCp/Al復(fù)合材料，成功地應(yīng)用于法國(guó)Eurocopter 公司生產(chǎn)的新型民用直升機(jī)。同鋁合金相比，構(gòu)件的剛度提高約 30%，壽命提高 5%;與鈦合金相比，構(gòu)件的重量降低了25%。
國(guó)內(nèi)在SiCp/Al復(fù)合材料的制備方法、工藝及性能等，都已有大量的研究和相關(guān)報(bào)導(dǎo)。如中南大學(xué)熊德贛等人通過在爐體內(nèi)先抽真空降低預(yù)制件的滲透壓力，制備出用于相控陣?yán)走_(dá) T/R 組件封裝外殼體積分?jǐn)?shù)約為65%的SiCp/Al復(fù)合材料[3]。上海交大采用真空吸鑄法也成功制備了高體積分?jǐn)?shù)的SiCp/Al復(fù)合材料，其具體工藝是把預(yù)制件放入真空吸鑄爐的上室，下室放裝有Al液的坩堝,上室抽真空后下室充入高壓氮?dú)�，�?Al 液吸入預(yù)制件中，凝固后形成復(fù)合材料[4]。武高輝等人用干壓成型法制備體積分?jǐn)?shù) 70%SiC 顆粒預(yù)制塊,在 600℃壓鑄形成復(fù)合材料,其熱膨脹系數(shù)在(6.9～9.7)×10-6K-1間可調(diào),熱導(dǎo)率大于110 W/m.K[5]。但投入實(shí)際應(yīng)用的還較少。
SiCp/Al復(fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度、比剛度、彈性模量、耐磨性和低的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)良的物理性能，且制造成本低，可用傳統(tǒng)的金屬加工工藝進(jìn)行加工，引起了材料研究者們的極大興趣，在航空航天、軍事領(lǐng)域及汽車、電子儀表等行業(yè)中顯示出了巨大的應(yīng)用潛力。
國(guó)外投入了大量財(cái)力致力于顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究，并已在航空航天、 體育、電子等領(lǐng)域取得應(yīng)用。如作為結(jié)構(gòu)材料，SiCp/Al復(fù)合材料已被大規(guī)模應(yīng)用于直升機(jī)旋翼系統(tǒng)上。美國(guó)海軍飛行動(dòng)力試驗(yàn)室研制成 SiCp/Al復(fù)合材料薄板，應(yīng)用于新型艦載戰(zhàn)斗機(jī)上。國(guó)內(nèi)從 80年代中期開始在863 計(jì)劃的支持下，經(jīng)過十幾年的努力，在顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究方面已有了很大的提高，在材料的組織性能、復(fù)合材料界面等方面的研究工作已接近國(guó)際先進(jìn)水平。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法、界面、增強(qiáng)機(jī)制、顯微組織及其對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響、后續(xù)加工等方面都做了大量的研究工作，SiCp/Al復(fù)合材料制備方法及 SiCp/Al基體界面的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展基本如下。
目前，制備SiCp/Al復(fù)合材料的方法主要有固態(tài)法、液態(tài)法及原位合成技術(shù)。
1 固態(tài)法
固態(tài)法主要指粉末冶金法，是傳統(tǒng)的制備PRMMC 工藝，其優(yōu)點(diǎn)是可以任意改變SiC 顆粒和Al的體積配比，能獲得不同顆粒體積含有率的復(fù)合材料，缺點(diǎn)是受溫度、 壓力及二次加工工藝和設(shè)備的限制，不宜做過大或形狀復(fù)雜的零件，其制備成本約為基體合金的4-10 倍。
王曉陽(yáng)[6]等采用650-690℃熱壓燒結(jié)的方法制得SiC體積分?jǐn)?shù)分別為50%、55%、60%的復(fù)合材料，其中60vol%的SiCp/A1在25～100℃的平均熱膨脹系數(shù)為8.1×10-6/k，室溫?zé)釋?dǎo)率為145W/(m•K)，都符合電子封裝的要求。美國(guó)Polese公司采用全自動(dòng)精確壓制成近成形坯體，后燒結(jié)獲得近凈形的50%-70%SiCp/Al復(fù)合材料[7]。
2 液態(tài)法
液態(tài)法主要指鑄造法，該法成本較低，便于一次形成復(fù)雜工件，所需設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，能適應(yīng)批量生產(chǎn)，是近年來研究較多、發(fā)展較快的復(fù)合材料制備方法。常用的鑄造法有浸滲法(包括壓力浸滲法和自浸滲法)、離心鑄造法、機(jī)械攪拌鑄造法和擠壓鑄造法。其中，以攪拌鑄造法制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料最有希望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。
3 原位合成技術(shù)
原位合成技術(shù)是近幾年新發(fā)展起來的一種制備復(fù)合材料的方法[8]。其基本原理是在一定條件下通過元素之間或元素與化合物之間的化學(xué)反應(yīng)，在金屬基體內(nèi)原位生成一種或幾種高硬度、高彈性模萬方數(shù)據(jù)量的陶瓷增強(qiáng)相，從而達(dá)到強(qiáng)化金屬基體的目的。由于增強(qiáng)體是從金屬基體中原位形核、長(zhǎng)大的熱力學(xué)穩(wěn)定相，因此，增強(qiáng)體表面無污染，避免了與基體相容性不良的問題，界面結(jié)合強(qiáng)度較高。同時(shí),不需外加增強(qiáng)顆粒也省去了增強(qiáng)體單獨(dú)合成、處理和加入等工序，簡(jiǎn)化了工藝。但由于原位合成技術(shù)發(fā)展較晚，研究時(shí)間較短，工藝技術(shù)及基礎(chǔ)理論研究方面還不完善， 今后在增強(qiáng)相的均化方面、PRMMC的凝固特征、 控制有害化合物生成等方面還需進(jìn)行深入研究。
SiCp/Al 復(fù)合材料作為一種新的結(jié)構(gòu)材料有著廣闊的發(fā)展前景，但要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還需做大量的研究工作。除了要對(duì)SiCp/Al 復(fù)合材料的制備工藝、界面結(jié)合狀態(tài)、 增強(qiáng)機(jī)制等方面的內(nèi)容做進(jìn)一步研究，其相關(guān)領(lǐng)域的研究及發(fā)展也應(yīng)給予重視。
1 現(xiàn)有工藝方法雖然成功制造了復(fù)合材料，但很難用于工業(yè)化生產(chǎn)[9]，仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。另外，SiC 顆粒具有較大的表面積，表面能較大，易吸附氣體并帶入金屬液中，而金屬液粘度大也易卷入氣體并難以排出，產(chǎn)生氣孔缺陷。因此，對(duì)現(xiàn)有工藝的進(jìn)一步完善和新工藝的開發(fā)成為下一步研究工作的主要任務(wù)。
2 金屬基復(fù)合材料的切削加工、 焊接、 熱處理等后續(xù)加工工藝的研究較少， 成為限制其應(yīng)用的瓶頸。高強(qiáng)度、高硬度的增強(qiáng)體的加入使金屬基復(fù)合材料成為難加工材料[10]。另外，增強(qiáng)體影響焊接熔池的粘度和流動(dòng)性，并與基體金發(fā)生化學(xué)反應(yīng)限制了焊接速度，給金屬基復(fù)合材料的焊接造成了極大的困難。因此，解決可焊性差的問題也成為進(jìn)一步研究的主要內(nèi)容。
3 環(huán)境性能方面的改善金屬基復(fù)合材料的環(huán)境性能方面的研究，即如何解決金屬基復(fù)合材料與環(huán)境的適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)其廢料的再生循環(huán)利用也引起了一些學(xué)者的重視，這個(gè)問題關(guān)系到有效利用資源，實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，因此，關(guān)于環(huán)境性能方面的研究將是該領(lǐng)域今后研究的熱點(diǎn)。
4 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的應(yīng)用復(fù)合材料由常規(guī)設(shè)計(jì)向計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變也是今后的發(fā)展趨勢(shì)之一，這方面尚需做大量的工作，包括建立完整的數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)造盡可能接近實(shí)際的模型等。
三、研究?jī)?nèi)容：
1.課題研究?jī)?nèi)容
(1)研究SiCp/Al復(fù)合材料的界面形貌、界面反應(yīng)及生產(chǎn)物、斷口形貌以及材料內(nèi)部的缺陷等;
(2)研究SiC粒徑、形狀、SiC體積分?jǐn)?shù)、界面情況以及SiCp/Al復(fù)合材料的致密度對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能、熱物理性能(熱膨脹系數(shù)及熱導(dǎo)率)的影響;
(3)熱處理對(duì)材料性能的影響。
2.擬解決的關(guān)鍵性問題
(1)復(fù)合材料性能的好壞主要取決于界面結(jié)合的好壞,而界面結(jié)合與SiC、Al的潤(rùn)濕性有很大的關(guān)系,因此需要解決SiC與Al的潤(rùn)濕性問題;
(2)復(fù)合材料的界面反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物以及對(duì)有害界面反應(yīng)的控制，尋找界面反應(yīng)發(fā)生的一般規(guī)律;
(3)考察熱循環(huán)對(duì)材料性能穩(wěn)定性的影響。
3.擬采取的實(shí)驗(yàn)方案
將復(fù)合材料進(jìn)行退火及T6處理,通過金相顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射(XRD)、能譜分析(EDS)對(duì)復(fù)合材料的微觀組織進(jìn)行觀察,對(duì)比分析其組織形貌、成分、缺陷等;
測(cè)量材料的密度、致密度、抗折強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能，以及材料的熱物理性能(熱熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率)等。
選取幾組組織好的一定體積分?jǐn)?shù)的坯料，利用擠壓工藝進(jìn)行擠壓成形。改變擠壓壓力、擠壓溫度、保壓時(shí)間等參數(shù)，各種固定參數(shù)下擠壓3-5個(gè)試件，以便實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。
對(duì)擠壓件進(jìn)行熱處理，測(cè)試抗折強(qiáng)度、密度、致密度、硬度、熱膨脹系數(shù)，熱導(dǎo)率等熱物理性能，確定最佳熱處理規(guī)范。
四、主要參考文獻(xiàn)：
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