（材料学专业论文）热循环过程对高体积分数alsicp电学和热学性能影响的研究.pdf

上海交通大学博：t 学位论文摘要 热循环过程对高体积分数a l sic p 电学和热学性能 影响的研究 摘要 金属基复合材料( m m c s ) 可以把基体的高热传导性与增强体的低热膨胀系 数结合起来，具有良好的综合热物理性能，满足对电子封装材料性能的要求。对 于经受高频率热疲劳的电子封装材料，其热物理性能抗热疲劳的能力是很重要 的。复合材料由于增强体与基体的性能差别大，会引起两者变形的不协调性，形 成残余应力，这就使得它在经受热循环时更容易出现破坏。本研究以a 1 s i c d 复 合材料为研究对象，深入研究了其热物理性能在热循环过程中的变化规律以及产 生变化的机理。 干法成型工艺无法完全实现预制件的净成型，且难以制备形状复杂的成型 体，本文结合凝胶注模成型和真空压力浸渗工艺，制备出致密和高体积分数的 s i c 颗粒增强a l 基复合材料，获得了较为理想的力学和热学性能。 对a i s i c p 在2 0 - - 3 0 0 进行热循环，观察其微观结构的变化，发现：热循环 过程使a i s i c p 复合材料产生界面松弛，断裂行为从热循环之前的s i c 颗粒断裂 向s i c 颗粒脱粘过渡。增加循环周次或扩大温度区间都会加剧材料的破坏。从 a 1 s i c p 复合材料的显微结构上观察，热循环过程使材料基体中的缺陷增加，缺 陷的主要类型为位错。通过内耗实验，也证实了位错密度的升高。热循环过程中 位错密度的升高造成内耗峰峰温的上升，以及材料阻尼和剪切模量升高。 a i s i c 口复合材料的热膨胀系数在热循环过程中的变化不大，不超过3 。材 料内部的塑性应变会不断积累，并最终造成材料尺寸的增大。塑性应变累积呈指 数形式增长，在热循环前期几乎呈直线增长，但在10 0 周之后，塑性应变累积趋 向饱和，复合材料的尺寸也将趋于稳定。 在热循环过程中，a 1 s i c p 复合材料的电导率会发生下降，在6 0 0 周的热循 环中其变化呈“之”字形的三段式变化：从o 周到1 0 0 周，材料的电导率几乎没有 降低：之后，材料的电导率则发生急剧下降；而循环周次超过4 0 0 周，材料的电 导率又趋于稳定。材料电导率的下降幅度可高达3 4 ，基体内部位错密度的升高 是材料电导率下降的瞧崮原因。 a i s i c 口复合材料的热导率在6 0 0 周的热循环过程中也呈现“之”字形的三段 第l 页 卜海交通人学博士学位论文摘要 式变化，与电导率相似。热导率下降超过l5 ，基体内部位错密度的升高同样是 热导率下降的袄毋原因。增强体粒径的差异并不会改变热导率变化的趋势，而只 会造成热导率值的不同。基体金属的改变则会改变各阶段的长短。扩大循环温度 区间会加速热导率的衰减，温差从2 8 0 扩大到4 9 6 使热导率下降幅度从5 增至1 4 3 8 。延长热循环周次会促使热导率的进一步下降。 目前的电导率和热导率的预测公式大多不够完善，不能综合评价颗粒尺寸和 体积分数的影响，本文提出了适用于本实验材料的电导率和热导率的预测公式。 通过对基体中变形区域的计算，考虑了增强体颗粒尺寸作用，并引入一个参数来 表征界面对复合材料电导率的影响。运用等效插入法，并引入界面热阻的影响， 提出了颗粒增强复合材料热导率的预测公式。 关键词：a f s i c p ，凝胶注模成型，内耗，热膨胀系数，电导率，热导率 第1 1 页 上海交通大学博士学位论文 摘要 e f f e c to ft h e r m a lc y c l i n go ne l e c t r i c a l a n dt h e r m a lp r o p e r t i e so f a l s i c p c o m p o s i t e s a b s t r a c t m e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s ( m m c s ) h a v eb e e no fi n t e r e s ti ne l e c t r o n i cp a c k a g i n g t e c h n o l o g yd u et ot h e i rg o o dt h e r m a lp r o p e r t i e s ，m a i n l yt h eh i g ht h e r m a lc o n d u c t i v i t y a n dl o wc o e f f i c i e n to ft h e r m a le x p a n s i o n t h er e s i s t a n c ea g a i n s tt h e r m a lf a t i g u ei s a l s ov e r yi m p o r t a n tf o rs u c hm a t e r i a l s t h ed i f f e r e n tp r o p e r t i e sb e t w e e nt h em a t r i x a n dt h er e i n f o r c e m e n t sw i l lc a u s eh i 曲r e s i d u a ls t r e s s ，a n dt h u sm a k et h ec o m p o s i t e m a t e r i a lm o r ep r o n et od a m a g ei nt h e r m a lc y c l i n g t h ev a r i a t i o no ft h e r m a lp r o p e r t i e s o f a l s i c pc o m p o s i t e si nt h e r m a lc y c l i n ga n d t h em e c h a n i s m sw e r ei n v e s t i g a t e d i ti sh a r df o rd r yp r o c e s st op r e f a b r i c a t eg r e e nb o d i e so fc o m p l e xs h a p e si nn e t s h a p ef o r m i n g g e l c a s t i n gc o m b i n e d 、航mv a c u u mp r e s s u r ei n f i l t r a t i o nt e c h n i q u ew a s a p p l i e dt op r e p a r et h eh i g hv o l u m ef r a c t i o ns i cp a r t i c u l a t er e i n f o r c e da ic o m p o s i t e s w i t l le x c e l l e n tm e c h a n i c a la n dt h e r m a lp r o p e r t i e s t h em i c r o s t r u c t u r a lo b s e r v a t i o n ss h o w e dt h a tt h e r m a lc y c l i n gc a u s e dt h e r e l a x a t i o no fi n t e r f a c e s ，a n dt h ef a i l u r eb e h a v i o rc h a n g e df r o mf r a c t u r eo fs i c p a r t i c l e st od e b o n d i n g o fs i c p a r t i c l e s t h ei n c r e a s ei nt h e r m a lc y c l e so rt e m p e r a t u r e r a n g ea g g r a v a t e dt h ed a m a g e o ft h ec o m p o s i t e s t h e r m a lc y c l i n gl e dt ot h e m u l t i p l i c a t i o no fd e f c c t s ，m a i n l yt h ed i s l o c a t i o n s ，i nt h em a t r i x t h ei n t e r n a lf r i c t i o n m e a s u r e m e n t sc o n f m n e dt h ei n c r e a s ei nd i s l o c a t i o nd e n s i t y , w h i c hc a u s e dt h er i s eo f p e a l ( t e m p e r a t u r e ，a sw e l la st h a to f t h es h e a rm o d u l u sa n dd a m p i n g t h et h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n tr e m a i n e ds t a b l ei nt h e r m a lc y c l i n gw i t ha l a r g e s ti n c r e a s el e s st h a n3 ，w h i l et h ep l a s t i cs t r a i na c c u m u l a t i o ni nt h ef o r mo f e x p o n e n t i a lg r o w t hc a u s e dt h ei n c r e a s ei nt h es p e c i m e nv o l u m e a f t e r1 0 0c y c l e s ， h o w e v e r ，t h ep l a s t i cs t r a i nt e n d e dt os a t u r a t i o n ，a n dt h u st h ec o m p o s i t es i z eb e c a m e m o r es t a b l e t h et h e r m a lc y c l i n gc a u s e dt h ed e g e n e r a t i o no ft h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y , a n d 第1 i l 页 上海交通大学博士学位论文摘要 t h ep r o c e s si sc o m p o s e do ft h r e es t a g e s ：i nt h ef i r s ts t a g e ，t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t y b a s i c a l l yr e m a i n e du n c h a n g e d ；a f t e r w a r d s ，i td r o p sr a p i d l y ；a n di nt h et h i r ds t a g e ，i t r e m a i n ss t a b l ea g a i n i td r o p p e da sh i 曲a s3 4 t h ei n c r e a s ei nt h ed i s l o c a t i o n d e n s i t yo ft h em a t r i xw a ss u b s t a n t i a l l yr e s p o n s i b l ef o r t h ed e g r a d a t i o n t h ed e g e n e r a t i o no ft h et h e r m a lc o n d u c t i v i t ys h o w e dt h es i m i l a rt e n d e n c ya st h e e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yi n6 0 0c y c l e s o v e r15 o fc o n d u c t i v i t yl o s ti n6 0 0c y c l e s 功e m u l t i p l i c a t i o no ft h ed i s l o c a t i o n si nt h em a t r i xi s a l s ot h em a i nr e a s o nf o rt h e d e g e n e r a t i o n t h ed i f f e r e n c ei np a r t i c l es i z ed i dn o tc h a n g et h eg e n e r a lf e a t u r eo ft h e d e g e n e r a t i o np r o c e s s ，b u ti n f l u e n c e dt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yv a l u e s d i f f e r e n tm e t a l m a t r i c e sc a u s e dt h ec h a n g eo fe a c hs t a g el e n g t h t h ee x p a n d e dt e m p e r a t u r er a n g e s p e dt h ed e g e n e r a t i o no fc o n d u c t i v i t y ：t h et e m p e r a t u r er a n g ef r o m2 8 0 t o4 9 6 c a u s e db i g g e rd e g e n e r a t i o n ，f r o m5 t o1 4 3 8 t h ei n c r e a s e dn u m b e ro fc y c l e sl e d t ot h ef u r t h e rd e g r a d a t i o n e q u a t i o n sw e r ee s t a b l i s h e dt op r e d i c tt h ee l e c t r i c a la n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t yo f a 1 s i c pc o m p o s i t e s t h ei n f l u e n c eo f t h er e i n f o r c e m e n ts i z ei sc o n s i d e r e dt h r o u g ht h e d e f o r m a t i o nz o n ei nt h em a t r i xa n dt h ei n t r o d u c t i o no fap a r a m e t e rt oc h a r a c t e r i z et h e e f f e c to fi n t e r f a c e s w i t ht h ee q u i v a l e n ti n c l u s i o nm e t h o da n dt h ei n t r o d u c t i o no ft h e i n t e r f a c i a lt h e r m a lr e s i s t a n c e ，t h ee q u a t i o nw a sf o u n d e dt of o r e c a s tt h et h e r m a l c o n d u c t i v i t yo ft h ep a r t i c u l a t er e i n f o r c e dc o m p o s i t e k e y w o r d s ：a i s i c p ，g e l - c a s t i n g ，i n t e m a lf r i c t i o n ，t h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t ， e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y , t h e r m a lc o n d u c t i v i t y 第1 v 页 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明弓i 用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：势奶p 日期：妒 年歹月f 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 ， 不保密d 。 ( 请在以上方框内打“4 刀) 学位论文作者签名：凇吻事和 日期：岬年夕月川e t 指导教师签名：职吆瓦 隰b 7 年气月7 日 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1引言 全球信息技术( i t ) 和电子市场发展迅猛，已经成为当今世界的第一大产业 【l 】。这其中的核心技术是集成电路( i c ) ，而i c 的关键则是芯片制造和电子封装。 电子封装作为制备半导体器件时的一个关键步骤，其功能主要包括机械支撑、散 热、信号传递以及芯片和元件保护等。据此对封装材料的性能要求总体上有以下 几点：具有良好的化学稳定性；比重轻；导热性能好；热膨胀系数小；较好的介 电性能；较好的机械强度；便于j j i l i ；价格低廉；便于自动化生产等。 目前所使用的材料已成为制约封装发展的瓶颈，传统电子封装材料已不适应 大规模集成电路封装的发展需要，为此迫切需要研制低热膨胀系数、高热导率、 有一定强度且价格适中的新型电子封装材料。而复合材料因其具有综合吸收各组 元性能优点，甚至产生新的优异性能的特点，成为解决这一问题的首选。 为制造满足封装工艺要求的复合材料，通常的做法是在导热率高的基体材料 中加入热膨胀系数较低的材料形成复合材料来保证兼有较高的热导率和较匹配 的热膨胀率( 国外称为c o n s t r a i n e dc o r et e c h n o l o g y ) 。近年来，许多新型的复合材 料得到发展，它们具有优异的综合性能，成为电子封装材料的最佳选择，目前正 应用于重要的商业和航空热控制部件上，包括载体、复杂的微波密封封装、高能 半导体封装、p c b s 冷却板、i c 封装中的热沉积及支撑结构等。这些部件正用于 无数的商业和航空产品中，包括电子设备、机器控制、移动电话、便携式计算机 和航空、航天微波及能量供给系统中。此外，电子封装材料还是航天多功能的关 键性材料【堙1 。目前，研制新型电子封装复合材料，尤其是金属基电子封装复合 材料，已成为封装材料研究的热点。金属基复合材料研究较多的是铜基和铝基复 合材料，这是因为铜、铝有较高的热导率。 由于金属基复合材料( m m c s ) 可以充分发挥金属基体热传导率高、成型性 和j j i l i 性好以及陶瓷增强体热膨胀率低的特点，通过调整体系、成分和结构可以 同时满足封装材料的各项性能要求，因此它已成为一类最理想的封装材料。特别 是低密度的碳化硅颗粒增强铝基复合材料( a i s i c p ) ，已应用于飞机、导弹和宇 航等军用微波和动力装置以及控制系统中。另外在消费量很大的民用产品如微波 炉、计算机、电视机和通讯等器件中，它也都有着广泛的应用前景。 随着元器件尺寸不断缩小、集成度不断提高、单位面积器件数量不断增加和 电路功能改进，使电路日趋复杂，同时，i c 的应用己渗入到国民经济各要害部门， 第1 页 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 相应的i c 的可靠性问题就日益显得迫切与重要，而封装可靠性更必须是重点考 虑的问题。随着电子封装复杂性的增加，如果等封装制造出来后才发现设计上的 可靠性有问题那就损失大了。可靠性必须是电子发展设计中的重要内容，而不是 器件开发出来以后的附加工作。 电子封装的可靠性是以评价电子封装体系抵抗功能退化的能力来评价的。其 中，电子封装材料本身的可靠性是整个封装体系可靠性的基础。在高集成度、大 功率和高频率的i c 中，电子元件工作时发出的热量会使周围瞬时温度高达2 0 0 以上。电子封装材料的主要功能之一，就是要在如此高的温度下，将封装系统 内的热量迅速传导释放出去。而要保证可靠地发挥这一功能，封装材料本身的热 性能必须始终保持在设计要求以上。但是，在以往的研究中发现，经过一定的热 循环后，复合材料的热性能值不能回到初始点，有一个明显的退化。p a r r y 等 3 1 发现，大多数封装系统的损坏并不是由于静态高温，而是由于温度梯度、温度循 环振幅或者温度变化的速率，也即是由于热疲劳。传统的可靠性设计是按温度差 引起的内应力而导致封装系统中出现裂纹和断裂作为失效判据【4 】的。但是在出现 裂纹之前，热性能的退化已可能使封装材料不再象设计时那样能保证系统正常工 作。这就从根本上对传统设计判据提出了挑战。 1 2金属基复合材料( m m c s ) 在热循环过程中的性能变化 热循环( t h e r m a lc y c l i n g ) 的基本特征是交替的加热和冷却。由于材料内部 性能和温度的不均匀性，材料自由膨胀或收缩受到约束，内部会因变形受阻而产 生热应力。热应力随温度的反复变化，引起材料性能不断下降，最终将导致热疲 劳( t h e r m a lf a t i g u e ) 失效p , 6 1 。 复合材料由于增强体与基体的熔点、导热性、杨氏模量以及热膨胀系数等性 能差别大，会引起两者变形的不协调性【7 j 。因此，在热循环的作用下，复合材料 的各种性能都将比单一材料发生更大的变化。 1 2 1 热循环对m m c s 微观组织结构和力学及阻尼性能的影响 1 2 1 1 热循环对m m c s 微观组织结构的影响 对于连续增强m m c s 热循环的研究，有不少报导。热循环对界面有不同影 响【8 。1 1 1 。在一些情况下，高温暴露影响更为显著。例如在定向凝固的共晶原位复 合材料中，性能的降低是由于脆性相的生成和纤维形貌的变化，而循环本身造成 的影响很小【1 2 1 。再如b a i 复合材料，当热循环的上限温度在4 0 0 c 以下时，性 能几乎没有下降；而当上限温度达5 0 0 。c 时，性能大幅度下降。t e m 分析发现， 第2 页 圭塑窒望奎兰堡圭兰壁堡奎墨二里堕笙 纤维与基体界面( f m ) 产生大量反应，生成了脆性相( m g ，a 1 ) b 2 ，a a i b l 2 嗍。而 另一些纤维与基体热膨胀系数相差较大的长纤维体系中，却没有发现增强的界面 反应，例如b t i t l l l 。热循环破坏是由于f m 的剥离或空位形成【1o 1 3 1 6 1 。热循环 造成连续增强m m c s 性能下降还有个特点，即在循环初期强度下降很明显 8 , 1 7 , 1 8 】。 这说明对于这类复合材料，破坏产生于服役的最初期。 对于连续增强m m c s ，决定其性能的一个重要因素是界面状态。而热循环行 为强烈影响f m 的应变效应。s e m 分析显示出f m 在热循环下不同的表现： 纤维端部的界面滑移，纤维端部拔出或侵入基体；纤维发生破坏，轴向裂开或 径向裂纹。同时基体也产生了回复和晶界空位、滑移【1 9 1 。从研究结果可以看出， 热循环对连续增强m m c s 的影响，主要是f m 的破坏与基体的软化。s e m 分析 表明，当热循环上限温度足够高时，可能出现界面反应 8 , 1 3 , 15 1 。界面反应产物一 般为脆性相，这将对复合材料的破坏产生重要影响。 对于短纤维和颗粒增强m m c s ，由于热应力比较小，循环造成严重微观结构 损伤的现象不很普遍1 1 2 】。h a l l & p a t t e r s o n 在a f s i c w 复合材料的热循环研究d o 2 0 ， 没有发现s i c 晶须剥离或空位的形成，而位错密度增加，尤其是在晶须的末梢。 沉淀相的形成明显受到热循环和晶须存在的影响。复合材料中沉淀相的形成速度 大大高于基体合金。 非连续增强m m c s ，载荷主要由基体承担。h a l l & p a t t e r s o n 认为，非连续增 强m m c s 基体的变化，是热循环造成性能下降的主要原因【2 0 】。尽管有很强的证 据说明，在温度快速变化时，会产生大量的位错，但是也有研究发现，热循环后 位错密度相对较低t 2 ”或对位错密度影响不大1 2 2 。这说明每次循环变形的完全回 复，但没有发现与基体回复相关的位错结构。p i c k a r d & d e r b y 还发现热循环变形 导致了微观结构的不断均匀化，但同时在增强体周围有大量的空位形核【2 1 1 。热循 环促进了基体中合金元素的移动，文献【2 2 】发现基体铝合金中m g 元素向界面扩 散形成化合物。热循环过程促进更加稳定的位错缠结和组织的形成，而且位错倾 向于更均匀分布于界面附近。位错的随机分布将能有效地松弛热膨胀系数不同 ( a c t e ) 所引起的内应力或残余应力【2 2 1 。热循环产生的新位错，将有助于更加 精细的亚结构的形成l 。循环热应力加上热激回复，将促进亚结构的形成。还要 指出一点的是，热循环的微观行为和m m c s 的初始显微结构有很强的依赖性 7 1 。 热循环造成的破坏一般有两类：弹塑性变形破坏，与时间无关；蠕变应变破 坏，与时间有关。热循环破坏有三个失效判据：表面产生裂纹、内部产生裂纹和 相完全断裂。前两者适用于热应力疲劳，第三种适用于机械热疲爿2 4 】。m m c s 破坏过程分为两阶段：损伤累积阶段和完全破坏的过渡阶段【2 5 1 。 对于连续增强m m c s ( c r m ) ，许多研究结果表明，热循环下f m 易发生剥 离或空位。热循环破坏主要出现在结合不好的f m 。纤维与基体间裂纹较多产生 第3 页 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 于纤维密度较高的区域，因为这些区域应力较高，f m 比较薄弱，且损伤分布于 整个体积中，属于累积破坏型。同时发现，上限温度不同，可能促进界面反应的 产生，从而使破坏从积累型向非积累失效型转化瞵j 。 对于非连续增强m m c s ( d r m ) ，分为随机排列和定向排列。目前对随机排列 的d r m 复杂的破坏机制还没有共同的理论【2 纠。晶须和颗粒增强的m m c s ，热循 环蠕变比较普遍，但产生破坏的报道较少，蠕变应变破坏可能是其破坏原因。对 于短纤维d r m ，材料一般是平面随机的，h e r r 提出了热循环破坏的两种机制【7 】： 热激多边化回复和基体的压应力松弛。两种机制的竞争，产生了性能的下降。从 研究结果还可发现界面弱的地方仍是裂纹源。这一点与c r m 类似。例如硅酸铝 短纤维所含的渣球和长纤维 7 1 、界面显微裂纠2 6 1 、都促进了材料的破坏。 1 2 1 2 热循环对m m c s 力学及阻尼性能的影晌 h a l l & p a t t e r s o n 在研究中【2 0 1 发现，热循环会严重影响复合材料和基体合金的 屈服强度和极限强度，但对弹性模量没有明显影响。图1 1 a 为经1 0 0 次热循环 之后a 1 s i c w 复合材料和基体a l 合金极限强度的变化，图1 1 b 显示了两者强度 的差值( 虚线表示未经热循环两者的强度差) 。 m a x t e m p ( 。c ) 图1 - 1 a 复合材料汲基体合金经1 0 0 次循 环后不同温度下的极限拉伸强度2 f i g 。1 一l a u l t i m a t et e n s i l e s t r e n g t h o f c o m p o s i t e a n dm a t r i x a l l o y a f t e rt h e r m a l c y c l i n gv s t e m p e r a t u r e 【2 0 】 m a x t e m p i e ) 图1 - 1 b 经1 0 0 次循环后复合材料与基体 合金极限拉伸强度差值( 点划线代表两 者在t 6 条件下的强度差值) n 町 f i g 1 - l bd i f f e r e n c eo fu l t i m a t es t r e n g t h b e t w e e nc o m p o s i t ea n dm a t r i xa l l o ya f t e r t h e r m a lc y c l i n g 2 0 】 图中可以看出，除了3 0 0 c 夕b ，两者在所有温度下的强度变化均保持一致。 且当趋势相同时，强度值取决于总的循环次数，并随次数的增加而降低。 第4 页 一bd毫vfo扣o一嘈卜f1l至ou 一再i窆一=卜vz瞄篮j坼皿卜鼍_卜，ifl 上海燹遁大学博士学位论文第一章绪论 y u 和c h a n d r a 等人对s i c 颗粒增强铝基复合材料进行了研究【2 7 】。经过 3 5 - 3 5 0 c ，2 0 0 0 次循环后，材料的强度并没有明显的下降。而从微观角度，f m 界面没有大的剥离，但位错密度很高。图1 - 2 显示了a i s i c p 在两种情况下的拉 伸行为。 图1 - 2 热循环及等温时效试样的应力一应 变曲线 f i g 1 - 2 t e n s i l e t e s t i n gc u r v e s f o rt h e t h e r m a l l yc y c l e da n da n n e a l e ds a m p l e s l 2 7 1 一 星 兰 暑 。， c 西 u 旦 一 要 m n u c l e a ro fc y c l 图1 - 3 复合材料热循环及等温时效后的 拉伸强度比较1 f i g 1 - 3t e n s i l es t r e n g t hv s n u m b e ro f c y c l i n g a n d a n n e a l i n gt i m e f o rt h e c o m p o s i t e l 2 7 j o 图1 3 为试样经热循环后的拉伸强度与等温时效后的比较。可以看出，两者 并没有什么差别，所以作者认为热循环的影响只是加热过程中造成的过时效作 用。而热循环并没有造成f m 界面的剥离，m m c s 的断裂行为仍为穿晶断裂， 因c t e 不匹配造成的热应力虽然使基体内部的位错密度增大，但加热过程中位 错的泯灭和攀移却释放了应变，保护了f m 的结合。 w o l f e n d e n 和t a n g 等人【2 8 】对2 0 1 4 a 1 a 1 2 0 3 p 复合材料进行了热循环实验 ( 2 2 - 3 0 0 ) ，考察其力学性能与阻尼性能的变化。图1 4 、1 5 显示了该材料密 度、杨氏模量和阻尼的变化。 经过数千次的冷热循环之后，该材料的密度和杨氏模量基本保持不变。作 者认为，热循环会导致沉淀相( c u a l 2 ) 的粗糙化，但并不会增加它在基体中的 体积含量。 第5 页 印弘驰钙们弱如拈抽坫如s 一面山z 一 俯田m“um【一西tlmiii 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 参 罂 暑 宅 ： 2 暑 e 量 & 暑 5 芒 墨 主 d e a s i i y l 牟牮一 。啥_ 磊广_ 高广_ 磊h 图i - 42 0 1 4 a i a xz 0 ，试样的密度和杨 氏模量随热循环次数的变化旺” f i g 1 - 4 v a r i a t i o no fd e n s i t ya n d y o u n g sm o d u l u so f2 0 14 a f a l 2 0 3 pv s n u m b e ro ft h e r m a lc y c l e s i z s l 图卜52 0 1 4 a i a i z 0 ，试样的阻尼值随 热循环次数的变化啪1 f i g 1 5 v a r i a t i o no fd a m p i n gc a p a c i t y o f 2 014 a f a l 2 0 3 pv s n u m b e ro f t h e r m a lc y c l e s t 2 s 而经7 0 0 0 次热循环之后，材料的阻尼值增大高达9 3 6 。原因可能在于： 基体金属与增强体之间存在大面积的界面，两者热膨胀系数不匹配而产生的热 应力又导致了颗粒基体间界面出现大量位错，而界面和位错的存在都会增大材 料的阻尼。 l a v e r n i a 等人【2 9 】对热循环过程中a l s i c p 复合材料的阻尼性能的测试结果也 表明，热循环会增大复合材料的阻尼值。 1 2 2 热循环对m m c s 热膨胀系数( c t e ) 和尺寸稳定性的影响 m m c s 具有小于基体合金的c t e ，这对于航天器、电子封装材料以及汽车 发动零件都具有重要意义。然而在不连续增强m m c s 体系中，发现热循环造成 了尺寸的变化f 3 0 。3 2 1 。均衡短纤维复合材料热循环，每周都引起样品的尺寸净变化， 称这种效应为热棘齿效应( t h e r m a lr a t c h e t m g ) 3 3 】。虽然这种现象还有待进一步 研究，但可以确定，这是不对称应力松弛的结梨3 4 】。 电子封装材料的使用环境温度经常发生变化，它的尺寸热稳定性好坏非常重 要。如果材料尺寸热稳定性差，会导致较大的热应力产生，使封装壳体开裂，损 坏芯片。影响尺寸热稳定性的主要因素有两个：一是热膨胀系数的大小。热膨胀 系数越小，尺寸热稳定程度越高；另一个是热循环曲线的形状。当升温和降温曲 第6 页 6u|de口ui6u日岳芑8-9d i m i慷；曩； m ” 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 线重合时，这种情况的尺寸热稳定性最好。 1 2 2 1m m c s 的c t e 计算公式 本节中所用符号表示的意义如下： 一般字符： 口一热膨胀系数；尽一热导率；多，_ 各组分的体积分数；t 广泊松比；哥一弹性 模量；肛体模量( b = 彤【3 ( 1 - 2 移) 】) ；仔一剪切模量( g = e 2 ( 1 + 蝴) ；产一增强体体 积分数；p e s h e l b y 张量；j 特征张量；c l 弹性模量张量 下标： c l 复合材料；p 一增强体；朋l 基体 物体的体积或长度随温度升高而增大的现象称为热膨胀，其体积或长度随温 度增大的能力称为热膨胀系数( c 陋) 。 假定物体原有长度为三，温度升高z 后，长度的增加量为此，则： a ， 口，= = 竺r( 1 1 ) 。 三 吼称为线膨胀系数，表征物体受热时长度增大程度。 单相固体材料的热膨胀本质，归结为点阵结构中的质点间平均距离随温度升 高而增大。复合材料的热膨胀实质是：基体材料和增强体材料中点阵结构的质点 间平均距离随温度升高而增大以及基体与增强体因热膨胀系数不同而相互抑制 的综合结果。因此，复合材料的热膨胀同组成相的热膨胀以及内部应力状况密切 相关1 3 5 1 。 使用最多的估算模型是复合材料性能的混合律口5 1 ，复合材料的性能为各组分 的性能与体积分数的乘积之和： 口= 口村+ 口f ( 1 - 2 ) 1 连续纤维增强复合材料的热膨胀模型 对于单向连续纤维增强复合材料的热膨胀系数，由于复合材料的形貌难以确 定，无论何种模型均有如下假定【3 6 l ： i 纤维横截面均为圆形且在轴向上为无限长； i i 穿过基体纤维界面的位移是连续的( 即：无界面滑动) ； i i i 温度是均匀的，各组分材料的性能不随温度变化。 l e v i n p 7 舶l 将复合材料热膨胀系数与其弹性模量联系起来，提出有效膨胀系 数与有效弹性模量之间可建立的简单关系，当弹性模量已知时，两相复合材料的 热膨胀系数即可求出。 第7 页 上海交通大学博上学位论文 第一章绪论 如云+ 等早【去一( 如( 1 - 3 ) b fb m c 扣每+ 苦 m 4 ， r o s e n 和h a s h i n l 3 明在l e v i n 工作的基础上，进一步得到了以下算式： 4vmvvgf(bm-bf)(am-ctf)口事-d兰监堡鱼!丝=生丛坠二丝!(1-5) j 1 3 b m b f + 4 g f b3 b m b f + 4 g m b s h a p e l y 0 6 , 4 0 】从能量角度考虑，运用热弹性能量方程和最小能量原理推导出 了纤维、基体材料均为各向同性的轴向热膨胀系数和径向热膨胀系数的模型： ：a m 万v u l e - u _ + 矿a f f v f e f ( 1 - 6 ) y m e m + v f e f 口上= ( 1 + v m ) a 村+ ( 1 + v v ) a ，- - o f d c( 1 - 7 ) = + 咋( 1 8 ) c h a m b e r l a i n 4 1 】使用平面应力状态的厚壁圆筒方法推导出了他的纤维增强复 合材料轴向和径向热膨胀模型( 纤维为各向异性) 。轴向与s h a p e r y 模型相同， 径向的表达式为： 口上= + i f 雨丽币巧2 ( a 万v i - - 瓦a u 瓦) v f 丽五而丽( 1 - 9 )口上2 + 百矿i 瓦河币瓦河瓦瓦顶二瓦f 雨丽 式中，卜纤维堆积因子，对六方堆积值为0 9 0 6 9 ，对四方堆积值为0 7 8 5 4 。 c h a m i s | 4 2 】使用简单应力平衡理论( 材料强度理论) 推导出的热膨胀模型( 纤 维为各向异性) 径向表达式为： 口上= 口f 。+ ( 1 一) ( 1 + 咋r u e 昂e ，) ( 1 - 1 0 ) e | | = e f | y f + e m v m q - 1 1 ) 2 短纤维、晶须增强复合材料的热膨胀模型 短纤维增强金属基复合材料的研究和应用越来越普遍，许多的热膨胀预测模 型也已经建立【4 3 稍1 。e s h e l b y 模型【4 9 】适合于任意分布以及有一定取向的短纤维增 强复合材料，其热膨胀表达式为： 口c = 口肼+ 咯s e a t( 1 1 2 ) 第8 页 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 本征应变 口= 衣i = 瓦万焉= 巧c 面f _ i t j 乏页f j 两 1 - 1 3 ) t a k a o 与t a y a 等f 5 明对短纤维( 晶须) 增强复合材料做了一些假设： ( 1 ) 所有短纤维的各轴方向都是一致的； ( 2 ) 各种纤维的形状均为椭球形，而只存在不同的长径比。 ( 3 ) 基体为各向同性，纤维为径向同性。 在此基础上，给出了短纤维增强复合材料的热膨胀模型表达式： 口c = 口吖一厂喜素g 三专曼与甚手揣 口= 一口m)at(af a2 一q m ) 。 式中e 一基体内部的平均应变扰动，可由式( 5 4 ) 得出； p i 一第i 根短纤维的长径比。 ( 1 1 4 ) ( 1 - 1 5 ) 卜喜等若爵鬻卜= 厂善芒苦粥斋m 峋 若存在连续的长径比函数，则上式可写作： 口c = 口材一厂l , i , , , ，d a 瓦( 乏c f - - 丽c m 丽) e - - 丽c f o t 警删d ) ( 1 1 7 ) t a k a o 等设计了三种不同的纤维长径比分布：均匀分布、余弦分布和正态分 布，就此对其影响进行了分析，得出以下结论： a ) 模型计算结果与a 1 s i c 俐的实验数据比较，二者吻合得较好； b ) 尽管有不同的分布情况，但使用平均长径比来代替其分布，仍可以准确 地材料的膨胀系数： c ) 长径比的范围越宽，使用平均长径比所带来的误差就会越大； m 纤维不同取向的影响远大于长径比分布。 尽管模型处理与实际情况有差别，但仍可用于分析。根据模型和具体实验结 果，可以发现：短纤维( 晶须) 增强的复合材料，其热膨胀系数存在各向异性， 增强体的长径比和取向、基体的泊松比和弹性模量、增强体的体积分数等对复合 材料的热膨胀系数都有一定的影响。 3 颗粒增强复合材料的热膨胀模型 前面阐述的l e v i n 所推导出的算式，对于颗粒增强的两相复合材料，同样适 第9 页 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 用1 3 7 】： 小云+ 竿午【击一( 如 马岛 式中b - 有效体模量 上式显示了有效膨胀系数与混合律的差别。 若将材料的一相看作流体( 或是低剪切模量的基体) ， 有： 1t 兰一 b 幸b ( 1 1 8 ) 而另一相是刚性颗粒，则 ( 1 - 1 9 ) 口】得： 口牛= 口 ( 1 2 0 ) 即混合律可以应用。 h a l e 给出了对不同增强体含量和种类的b + 的表达【5 l j ，这导致它们不同的热 膨胀系数表达。当不能给出b + 具体值时，可根据p a u l 的结果确定b 的上、下限 来估算c t e 的上、下限。 对于由各向同性组分构成的复合材料热膨胀系