[发明专利]一种制备三维互穿结构3D‑SiC/Al复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及SiC/Al复合材料的制备方法，具体地说是一种SiC陶瓷和铝合金均呈连续相的三维互穿结构3D-SiC/Al复合材料的无压熔渗制备方法。

背景技术

SiC/Al复合材料可以通过改变其中的铝合金相和SiC陶瓷相的特性、含量、分布等使其具有可剪裁的热物理性能(如热膨胀性能、导热性能)和力学性能(强度等)，从而满足电子封装材料结构(支撑)和功能(散热)双重用途需要。而且SiC/Al复合材料尺寸稳定性好，比强度和比弹性模量高，原材料价格不到目前使用的高导热材料钨铜合金的l/10，重量也不及其1/5，这使得其在电子封装材料领域具有不可替代的优势，在航空、航天结构件、汽车构件等方面也将有着广阔的应用空间。常用的制备SiC/Al复合材料的方法主要有：搅拌铸造法、喷射沉积法、粉末冶金法、气压浸渗法和无压熔渗法等。其中无压熔渗制备的SiC/Al复合材料能获得近净成形，制备工艺简单，不需要高压或真空设备，具有显著的低成本优势。然而采用这种方法制备的SiC/Al复合材料的热导率普遍偏低，一般介于120～170W/(m·℃)。这主要是因为SiC/Al复合材料的热导率除与SiC陶瓷相和铝合金相有关，还与SiC/Al复合材料的界面热阻和一些结构缺陷有关。因此，降低界面热阻和提高界面结合强度是制备高导热SiC/Al复合材料的关键。

无压熔渗法制备SiC/Al复合材料有两个主要环节构成，即有一定开孔隙率的SiC预制件坯体的制备和液态铝合金自发渗入预制件坯体孔隙形成接近全致密的复合材料。一方面由于Al液和SiC颗粒之间浸润性差，另一方面SiC颗粒在高温下容易和熔融铝液发生反应，反应生成的Al₄C₃虽然促进润湿，但会造成增强相SiC的质量损失，而且在材料服役过程中会缓慢水解而粉化，弱化了复合材料的界面结合，这些对复合材料的稳定性和热导都不利。为促进浸润和有效控制有害界面反应的发生，抑制Al₄C₃的生成，通常会在预制件的制备过程中对原料SiC颗粒进行表面处理。常用措施是对SiC表面进行氧化处理，在SiC表面生成适当厚度的SiO₂反应产物层，这不仅能够有效阻止液态Al液与SiC的直接接触从而避免有害反应的发生，而且能够改善复合材料制备过程中SiC与Al液固液两相之间润湿性，提高界面结合。文献一般都采用在SiC预制件坯体形成之前对SiC颗粒进行氧化预处理或对模压成形的SiC素坯在空气中烧结的方式同时达到SiC预制件坯体的形成和表面氧化处理的目的。这种氧化烧结方式制备的SiC预制件坯体，应用在后续的无压熔渗制备SiC/Al复合材料中，最终形成的一般都是颗粒增强SiCp/Al复合材料(铝合金相连续，SiC相呈颗粒弥散分布)，复合材料中界面热阻较大，导热性能受到影响。而三维互穿3D-SiC/Al复合材料由于其中的SiC陶瓷相和铝合金相都各自呈三维连续结构分布，SiC陶瓷和铝合金两相间的界面面积比同等体积分数的颗粒SiCp/Al复合材料要小得多，因而减小了界面面积，降低了界面热阻。这种连续的SiC陶瓷相和铝合金相能提供各自的导热通道，所以会有更高的导热性能。Shun Li等在2400℃烧结温度下制备出了孔隙率低于45％的3D-SiC预制件，随后采用有压浸渗工艺制备出了3D-SiC/Al复合材料，获得了250.5w/(m k)的热导率和6.0×10^-6/℃的热膨胀系数。但是该工艺具有工艺较复杂，成本较高，成形件形状简单等缺点。

发明内容

本发明旨在：提供一种采用较低烧结温度制备SiC呈连续相分布的三维互穿结构的3D-SiC预制件并采用低成本无压熔渗技术制备较高性能3D-SiC/Al复合材料，所制备3D-SiC/Al复合材料中SiC陶瓷相和铝合金相均匀分布在复合材料中，并各自形成三维互穿连续相结构,且成本较低，性能满足电子封装材料必须具有的低膨胀系数、高热导率和足够的抗弯强度等技术性能要求。所要解决的技术问题是

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

一种制备三维互穿结构3D-SiC/Al复合材料的方法，其特征在于：具体步骤如下：

a、将SiC微粉和聚碳硅烷的二甲苯溶液混合搅拌均匀，待二甲苯自然挥发后可得到表面涂有聚碳硅烷的SiC粉末，然后压制成SiC素坯；

b、将步骤a制备的SiC素坯放置于管式气氛炉中在氮气保护下升温至500～1100℃保温1～2h，随炉冷至室温后取样；