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毕业论文题目：伪半固态挤压高体积分数SiCp/Al复合材料性能分析
一、选题依据：
随着信息时代的到来，电子工业得到了迅猛发展，计算机和移动电话等产品的迅速普及，使得电子产业成为最引人注目和最具发展潜力的产业之一，电子产业的发展也带动了与之密切相关的电子封装业的发展，其重要性越来越突出。电子封装从早期的为芯片提供机械支撑、保护和电热连接功能，逐渐融入到芯片制造技术和统集成技术之中。电子工业的发展离不开电子封装的发展，20世纪最后二十年，随微电子、光电子工业的巨变，为封装技术的发展创造了许多机遇和挑战，各种先进的封装技术不断涌现。
近年来， SiCp/A1复合材料发展十分迅速，特别是作为电子级功能复合材料的优势逐渐被人们所认识，现已作为新型电子封装材料重要开发方向之一。随着航空、大规模集成电路、军事通讯等方面的不断发展，传统的电子封装材料已经满足不了这些领域的要求。例如:电子半导体集成度越来越高，所用的电子封装材料要求有高的热导率，低的线膨胀系数;在航空方面，飞机起飞、导弹发射等，电子系统常伴随激烈的温度变化，所用电子封装材料要求具有高的热导率和低的线膨胀系数，同时其质量也是必须考虑的重要因素。而传统封装金属材料Al、Cu的线膨胀系数都较大，同器件匹配性能差，Fe - Ni合金热导率低、密度大,均存在一定缺陷。而SiC颗粒增强Al基复合材料具有高热导率、低线膨胀系数、密度小等优点,因而用作新型电子封装材料前景广阔[1]。
SiCp/Al 复合材料是由连续状的Al及Al合金与多形态的SiC颗粒所构成的。作为金属基复合材料的增强物，SiC颗粒具有高模量、高硬度、低热膨胀、高热导率、来源广泛、成本低廉的优点。而作为基体材料，Al合金具有低密度(2.7g/cm3)，高热导率，价格低廉以及热加工容易等优点，其缺点是热膨胀系数较高。综合以上因素，并考虑到电子封装材料必须具备很低的且与基底匹配的热膨胀系数(CTE)，高的热导率，高刚度，低密度，及低成本等特性，将二者复合而成颗粒增强铝基复合材料后，材料具有了Al 和SiC二者的优点，即高热导率、低热膨胀系数、高强度、低密度等，这些特性几乎代表了理想封装材料的所有性能要求，这使得颗粒增强铝基复合材料(SiCp/Al)成为电子封装用金属基复合材料中倍受瞩目、研究最多、潜在应用最广的复合材料。具体来说，这种材料的综合性能优点表现在以下几个方面:(1)可根据所需要求进行设计;例如，通过控制 SiC的百分含量、具体合金成分、复合材料的热处理方法可调整复合材料的热膨胀系数和热导率。(2)良好的力学性能， 如高的比强度和比刚度。(3)具有很好的经济价值。一方面制备方法可以沿用传统的工艺方法，如铸造工艺，最近在压力或无压渗透方面进展，使 SiC颗粒的百分含量显著提高;采用合适的方法，SiCp/Al复合材料可以实现产品的净成型或近净成型。 另一方面SiC颗粒(微米级)价格便宜，来源丰富。因此，对 SiCp/Al这种新型复合材料进行深入研究是很有意义的。
二、文献综述：
正是因为 SiCp/Al 复合材料有这些显著的优势，从 80 年代开始，国外的一些研究部门投入了大量人力、物力以及财力致力于SiCp/Al复合材料的研究，并已首先在航空航天、光学、仪表等领域取得了实际的应用[2]。例如：美国下一代主力战机 F-22“猛禽”上的自动驾驶仪、发电单元、抬头显示器、电子计数测量阵列上广泛采用高体积分数 SiCp/Al 复合材料代替传统材料(如包 Cu 的 Mo,W/Cu等)做封装和热沉构件，取得减重70%以上的显著效果;同时因为这种材料具有的很高热导率(一般高于 150W/m.k)，从而显著降低电子模块的工作温度，提高电子设备工作的可靠性。此外国外也有采用这种电子封装材料取代 W/Cu 合金作为相控阵雷达的封装底座，取得减重 80%以上的惊人效果。1988年美国ACMC公司采用光学级SiCp/Al复合材料研制成超轻空间望远镜的主反射镜和次反射镜，比传统的反射镜重量减轻了 50%以上。英国航天金属基复合材料公司(AMC)采用机械合金化法制备出高刚度、耐疲劳的SiCp/Al复合材料，成功地应用于法国Eurocopter 公司生产的新型民用直升机。同铝合金相比，构件的刚度提高约 30%，寿命提高 5%;与钛合金相比，构件的重量降低了25%。
国内在SiCp/Al复合材料的制备方法、工艺及性能等，都已有大量的研究和相关报导。如中南大学熊德赣等人通过在炉体内先抽真空降低预制件的渗透压力，制备出用于相控阵雷达 T/R 组件封装外壳体积分数约为65%的SiCp/Al复合材料[3]。上海交大采用真空吸铸法也成功制备了高体积分数的SiCp/Al复合材料，其具体工艺是把预制件放入真空吸铸炉的上室，下室放装有Al液的坩埚,上室抽真空后下室充入高压氮气，使 Al 液吸入预制件中，凝固后形成复合材料[4]。武高辉等人用干压成型法制备体积分数 70%SiC 颗粒预制块,在 600℃压铸形成复合材料,其热膨胀系数在(6.9～9.7)×10-6K-1间可调,热导率大于110 W/m.K[5]。但投入实际应用的还较少。
SiCp/Al复合材料具有较高的比强度、比刚度、弹性模量、耐磨性和低的热膨胀系数等优良的物理性能，且制造成本低，可用传统的金属加工工艺进行加工，引起了材料研究者们的极大兴趣，在航空航天、军事领域及汽车、电子仪表等行业中显示出了巨大的应用潜力。
国外投入了大量财力致力于颗粒增强铝基复合材料的研究，并已在航空航天、 体育、电子等领域取得应用。如作为结构材料，SiCp/Al复合材料已被大规模应用于直升机旋翼系统上。美国海军飞行动力试验室研制成 SiCp/Al复合材料薄板，应用于新型舰载战斗机上。国内从 80年代中期开始在863 计划的支持下，经过十几年的努力，在颗粒增强铝基复合材料的研究方面已有了很大的提高，在材料的组织性能、复合材料界面等方面的研究工作已接近国际先进水平。国内外学者对碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法、界面、增强机制、显微组织及其对复合材料力学性能的影响、后续加工等方面都做了大量的研究工作，SiCp/Al复合材料制备方法及 SiCp/Al基体界面的研究现状及进展基本如下。
目前，制备SiCp/Al复合材料的方法主要有固态法、液态法及原位合成技术。
1 固态法
固态法主要指粉末冶金法，是传统的制备PRMMC 工艺，其优点是可以任意改变SiC 颗粒和Al的体积配比，能获得不同颗粒体积含有率的复合材料，缺点是受温度、 压力及二次加工工艺和设备的限制，不宜做过大或形状复杂的零件，其制备成本约为基体合金的4-10 倍。
王晓阳[6]等采用650-690℃热压烧结的方法制得SiC体积分数分别为50%、55%、60%的复合材料，其中60vol%的SiCp/A1在25～100℃的平均热膨胀系数为8.1×10-6/k，室温热导率为145W/(m•K)，都符合电子封装的要求。美国Polese公司采用全自动精确压制成近成形坯体，后烧结获得近净形的50%-70%SiCp/Al复合材料[7]。
2 液态法
液态法主要指铸造法，该法成本较低，便于一次形成复杂工件，所需设备相对简单，能适应批量生产，是近年来研究较多、发展较快的复合材料制备方法。常用的铸造法有浸渗法(包括压力浸渗法和自浸渗法)、离心铸造法、机械搅拌铸造法和挤压铸造法。其中，以搅拌铸造法制备颗粒增强金属基复合材料最有希望实现大规模生产。
3 原位合成技术
原位合成技术是近几年新发展起来的一种制备复合材料的方法[8]。其基本原理是在一定条件下通过元素之间或元素与化合物之间的化学反应，在金属基体内原位生成一种或几种高硬度、高弹性模万方数据量的陶瓷增强相，从而达到强化金属基体的目的。由于增强体是从金属基体中原位形核、长大的热力学稳定相，因此，增强体表面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，界面结合强度较高。同时,不需外加增强颗粒也省去了增强体单独合成、处理和加入等工序，简化了工艺。但由于原位合成技术发展较晚，研究时间较短，工艺技术及基础理论研究方面还不完善， 今后在增强相的均化方面、PRMMC的凝固特征、 控制有害化合物生成等方面还需进行深入研究。
SiCp/Al 复合材料作为一种新的结构材料有着广阔的发展前景，但要实现产业化还需做大量的研究工作。除了要对SiCp/Al 复合材料的制备工艺、界面结合状态、 增强机制等方面的内容做进一步研究，其相关领域的研究及发展也应给予重视。
1 现有工艺方法虽然成功制造了复合材料，但很难用于工业化生产[9]，仍处于实验室研究阶段。另外，SiC 颗粒具有较大的表面积，表面能较大，易吸附气体并带入金属液中，而金属液粘度大也易卷入气体并难以排出，产生气孔缺陷。因此，对现有工艺的进一步完善和新工艺的开发成为下一步研究工作的主要任务。
2 金属基复合材料的切削加工、 焊接、 热处理等后续加工工艺的研究较少， 成为限制其应用的瓶颈。高强度、高硬度的增强体的加入使金属基复合材料成为难加工材料[10]。另外，增强体影响焊接熔池的粘度和流动性，并与基体金发生化学反应限制了焊接速度，给金属基复合材料的焊接造成了极大的困难。因此，解决可焊性差的问题也成为进一步研究的主要内容。
3 环境性能方面的改善金属基复合材料的环境性能方面的研究，即如何解决金属基复合材料与环境的适应性，实现其废料的再生循环利用也引起了一些学者的重视，这个问题关系到有效利用资源，实现社会可持续发展，因此，关于环境性能方面的研究将是该领域今后研究的热点。
4 计算机辅助设计的应用复合材料由常规设计向计算机辅助设计转变也是今后的发展趋势之一，这方面尚需做大量的工作，包括建立完整的数据库，构造尽可能接近实际的模型等。
三、研究内容：
1.课题研究内容
(1)研究SiCp/Al复合材料的界面形貌、界面反应及生产物、断口形貌以及材料内部的缺陷等;
(2)研究SiC粒径、形状、SiC体积分数、界面情况以及SiCp/Al复合材料的致密度对复合材料的力学性能、热物理性能(热膨胀系数及热导率)的影响;
(3)热处理对材料性能的影响。
2.拟解决的关键性问题
(1)复合材料性能的好坏主要取决于界面结合的好坏,而界面结合与SiC、Al的润湿性有很大的关系,因此需要解决SiC与Al的润湿性问题;
(2)复合材料的界面反应，反应产物以及对有害界面反应的控制，寻找界面反应发生的一般规律;
(3)考察热循环对材料性能稳定性的影响。
3.拟采取的实验方案
将复合材料进行退火及T6处理,通过金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射(XRD)、能谱分析(EDS)对复合材料的微观组织进行观察,对比分析其组织形貌、成分、缺陷等;
测量材料的密度、致密度、抗折强度、硬度等力学性能，以及材料的热物理性能(热热膨胀系数、热导率)等。
选取几组组织好的一定体积分数的坯料，利用挤压工艺进行挤压成形。改变挤压压力、挤压温度、保压时间等参数，各种固定参数下挤压3-5个试件，以便实验数据真实可靠。
对挤压件进行热处理，测试抗折强度、密度、致密度、硬度、热膨胀系数，热导率等热物理性能，确定最佳热处理规范。
四、主要参考文献：
[1] 武高辉,张强,SiCp/Al复合材料在电子封装应用中的基础研究[J],电子元件与材料,2003,6(22):27～29
[2] 崔岩,碳化硅颗粒增强铝基复合材料的航空航天应用[J],材料工程, 2002, 6: 3～6
[3] 王文明,潘复生,P/M制备SiCp/Al复合材料的研究现状[J],粉末冶金技术,2004,22(6):364～368
[4] 熊德赣,刘希从,小批量铝碳化硅T/R组件封装外壳的研制[J],电子与封装, 2004, 7(4):29～32
[5] 孙鹏飞, SiC颗粒增强铝基复合材料的微屈服行为研究[D], 硕士学位论文, 上海交通大学，2001:25～27
[6] 王晓阳，朱丽娟，刘越.粉末冶金法制备Al/SiC电子封装材料及性能[J]。电子与封装，2007，7(5)：9
[7] 钟鼓，吴树森，万里。高SiCp或高Si含量电子封装材料研究进展[J].材料导报，2008，22(2)：13～17
[8] 武高辉,张强,SiCp/Al复合材料在电子封装应用中的基础研究[J],电子元件与材料,2003,6(22):27～29
[9]Koczak M J;Premkumar M K Emerging Technologies for the In-Situ ProductionMMCs 1993
[10].YU M TARNOPOUSKII;VLKULAKOV Applied Problems of Mechanics of Composite Structures[外文期刊]1997(12)
