（材料加工工程专业论文）高含量SiltPgtAl热控制材料的无压浸渗工艺及热性能研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 随 浸 渗 合金中 的m g 含 量 增加， 材料 的 热导 率 和 膨 胀系 数 均下降。 组 织中 残留 的 少量孔隙，对于降低复合材料的热膨胀有一定的贡献。 关键词:热控制材料，s i - a l 复合材料，无压浸渗，热导率，热膨胀系数，复合 材料凝固 西北工业大学硕士学位论文 abs tract a n e w a d v a n c e d t h e r m a l m a n a g e m e n t m a t e r i a l w i t h e x c e l l e n t t h e r m a l p r o p e rt i e s , w h i c h c o m p o s e d a l u m i n u m w i t h h i g h v o l u m e fr a c t i o n o f s i l ic o n , w a s o b t a i n e d i n t h i s t h e s i s . p r e s s u r e l e s s i n fi l t r a t i o n ( p l i ) , d e v e l o p e d i n r e c e n t y e a r s , i s a n a v a i l a b l e m e t h o d t o p r o d u c e me t a l ma t r i x c o m p o s i t e s ( mmc s ) , a n d i t i s c h a r a c t e r i z e d b y s i m p l i f i e d p r o c e s s a n d l o w c o s t s . i n t h e t h e s i s , 6 1 - 8 1 v o l % s i p - a l c o m p o s i t e s w e r e p r e p a r e d b y a l - a l l o y s m e lt i n f i l t r a t i o n i n t o s i p a r t i c l e s p o r o u s p r e f o r m s w it h o u t e x t e rn a l p re s s u r e . s i p a rt i c l e s p o r o u s p re f o r m s p r e p a r a t i o n , s p o n t a n e o u s m e l t i n f il tr a t i o n p r o c e s s , s o l i d i f ic a t i o n o f a l - s i a l l o y s m e l t i n t h e i n t e r s p a c e s a m o n g s i p a r t i c l e s , m i c r o s t r u c t u r e s a n d t h e r m a l p r o p e r ti e s o f t h e c o m p o s it e , w e r e s y s t e m a t i c a l l y i n v e s t i g a t e d in t h e w o r k . t h e m a i n re s u l t s a r e a s f o l l o w s : 1 . a k i n d o f v a c u u m p r e s s u re l e s s i n fi l t r a t i o n e q u i p m e n t ( v p i ) w a s d e s i g n e d a n d m a d e b y s e l v e s . t h e s y s t e m o f v p i e q u i p m e n t m a i n ly i n c l u d e s v a c u u m c h a m b e r , h e a t i n g u n i t , w o r k t a b l e w it h i t s d ri v e u n i t , v a c u u m p u m p i n g u n i t , g as - c h a r g e u n i t a n d c o n t r o l u n i t , e t c . t h i s e q u i p m e n t w o u l d m e e t t h e n e e d o f a 1 o r c u m a t r i x c o m p o s i t e s p r e p a r e d b y p r e s s u r e l e s s i n fi l t r a t i o n o r v a c u u m i n f i l t r a ti o n i n a h i g h v a c u u m o r s p e c i a l a t m o s p h e r e . 2 . s i p a rt i c l e s p o r o u s p re f o r m s p r e p a r e d b y c o l d i s o s t a t i c p r e s s i n g p r o c e s s ( c i p ) . i t s a v e r a g e p o r o s i t y i s a b o u t 3 1 . 3 % . 3 . h i g h v o l u m e f r a c ti o n s i p - a c o m p o s i t e s w e r e f a b r i c a t e d b y a l - a l l o y m e l t i n f i l t r a t i o n i n t o s i p a rt i c l e s p o r o u s p r e f o r m s w it h o u t e x t e r n a l p r e s s u r e s u c c e s s f u l l y . i t s t h e r m a l c o n d u c t iv i t y i s 9 4 .8 - 1 2 8 .7 w/ ( m. k ) , i t s t h e r m a l e x p a n s i o n c o e f f ic i e n t i s 5 . 1 - 7 .8 x i 0 - / k ( 5 0 c 4 . t h e p r o c e s s 一 1 0 0 c ) a n d i t s d e n s i t y i s le s s t h a n 2 .5 g / c m 3 r e s p e c t iv e l y . o f a l - a l l o y s m e l t i n f i l tr a t i o n i n t o s i p p o r o u s p r e f o r m s w a s i n v e s t i g a t e d mg e le m e n t i t i s n e c e s s a r y t h a t t h e e x i s t e n c e o f mg i n a l - a l l o y s a n d n 2 a t m o s p h e r e i n a l - a l l o y s c a ni n f i l t r a ti o n p ro c e s s , b u t t h e o x i d e f i l m o n t h e s u r f a c e o f s i p a rt i c l e s m a y m a k e a g a i n s t in f i l t r a t i o n p r o c e s s . a n a p p r o x i m a t e p a r a b o l a c u r v e o f i n f i l t r a ti o n d e p t h v e r s u s i n f i l t r a t i o n t i m e w a s p r o v e d . i t w a s o b s e r v e d th a t in fi lt r a ti n g fr o n t o f a l u m in u m a l l o y s m e l t l i q u i d w as c h a r a c t e ri z e d b y a . m . 西北工业大学硕士学位论文 p l a n e s t a t e . 5 . s o l id i f i c a t i o n o f a l - a l l o y s l i q u i d i n t h e i n t e r s p a c e s a m o n g s i p a r t i c l e s w a s i n v e s t i g a t e d p r i m a r i l y . b e c a u s e o f t h e e ff e c t o f s i p p o r o u s s k e l e t o n , t h e p r i m a r y s i a n d t h e e u t e c t i c s i w e r e s e p a r a t e d o n t h e s u r f a c e o f s i p p o r o u s s k e l e t o n u n d e r s l o w c o o l i n g c o n d i t i o n s , a n d t h e r e w e r e n o t y p i c a l e u t e c t i c mi c r o s t r u c t u r e s i n t h e a l - a l l o y s p h a s e o f t h e c o m p o s i t e s . 6 . t h e o b s e r v e d r e s u l t s o f c o m p o s it e s m i c r o s t r u c t u r e s s h o w e d t h a t s i p a r t i c l e s c a u s e d p a s s i v a t i o n , t h e y w e r e f u s e d a n d i n v o lv e d o n e a n o t h e r i n t o a c o n t i n u o u s t h r e e - d i me n s i o n m e s h w o r k . t h e i n t e r f a c e o f s i / a l p h a s e s w a s c l e a n a n d n o r e a c t a n t s e x i s t e d . t h e ma i n m e c h a n i s ms o f c o n t i n u o u s n e t l i k e s i p h a s e w e r e d i s s o l u t i o n - d e p o s i t i o n a n d a p p e n d i c u l a t e d e p o s iti o n o f s i . f u r th e r m o r e , f o r m - m e c h a n i s m o f f e w f i n e p o re s i n t h e m i c r o s t r u c t u r e w a s i n v e s t i g a t e d . 7 . t h e r m a l p r o p e r t i e s o f s i p / a l c o m p o s i t e s w e r e m e a s u r e d a n d i n v e s t i g a t e d . mi c r o s t r u c t u r e o f t h e c o n t i n u o u s n e t l i k e s i p h ase i s g o o d f o r i m p r o v i n g t h e r m a l p r o p e r t i e s a n d r e s t r i c t i n g t h e r m a l e x p a n s i o n o f s i p / a l c o m p o s i t e s . f e w f i n e p o r e s r e m a i n e d in c o m p o s i t e s w e r e h e l p f u l f o r r e d u c i n g t h e r m a l e x p a n s i o n c o e ff i c i e n t o f t h e c o m p o s i t e s . a s i n c r e as i n g o f e n v i r o n m e n t a l t e m p e r a t u r e , t h e t h e r m a l c o n d u c t iv i t y o f t h e c o m p o s i t e s d e s c e n d e d , w h i l e c t e o f t h e c o m p o s it e s r o s e a t f i r s t ( w it h i n 5 0 一 1 5 0 ) a n d d e c l i n e d l a t e r ( a b o u t 1 5 0 c ) . :t h e r ma l ma n a g e m e n t m a t e r i a l s , s i p - a l c o m p o s i t e s , p r e s s u r e l e s s i n f i lt r a t i o n , t h e r m a l c o n d u c t i v i ty , c t e , s o l i d i f i c a ti o n o f c o m p o s i t e s i v 西北工业大学硕士学位论文 第一章 文献综述 1 . 1 热控制材料的研究现状及发展 随着科学技术的发展， 航空、 航天、 微电 子、 电 力传输等诸多领域对元器件 的热控制问 题日 益突出， 从而对热控制材料提出了 越来越高的要求n - 12 1 在航天 领域， 热荷载是 太空 环境中 航天器 所受 到的 最主 要的 荷载形式 2 .4 .5 1 轨道上的航天器结构要长期经受太阳、 行星和空间低温的交替加热和冷却， 引 起 高低 温的 剧烈变化， 其变化 幅度可 达1 2 0 0 0 01 。 对于空间飞行器结构来说， 一 般要求其形状稳定， 热膨胀系数要尽可能地小。 对于一些像太阳能电池帆板、 通 讯天线、 探测设备等大型析架结构， 其敏感性和热稳定性要求较高， 热变形会对 设备或结构的性能产生很大的影响，因此要把变形控制在一个很小的范围 之内。 解决这些问题， 一方面通过设计合理的结构，以助于热量的排出， 改善元器件的 热环境: 另一方面， 提高元器件的封装和支撑材料的热性能， 减少热量积累， 缓 解热应力，提高热稳定性。这就对用于热控制的材料提出了较高的要求。 在微电子领域， 集成电路朝着集成度更高、 运行速度更快和容量更大的方向 发展， 其散热能力和热稳定 性等问 题显 得尤为突出 1 0 1 。一 般而言， 在半导 体器 件中， 当 温度每升高1 8 c ， 其失 效可能 性就增 加2 - 3 倍 1 1 1 ; 另 外， 温度分布 不 均匀将会使电子元器件的噪音大大增加。 在电力传输领域， 一般用功率半导体装 置来调控电压和电流。 与微电子元器件的低电压工作状态 ( 1 - 5 v) 不同， 功率半 导体装置通常要在几百甚至几千伏的电压下工作， 控制的电流有时可达几万个安 培( 7 ) 。 以电 机控制 系统的i g b t 模块为 例 1 2 1 ， 其 大小只 有一张 信用卡的一半， 但 其工作时可以产生超过一千瓦的热量。为使这些元器件电气和机械性能可靠持 久， 必须使其内部产生的热量及时散发出去， 其封装材料的热膨胀系数必须与半 导体基片像匹配。 除了合理设计器件内部的结构以外， 还必须采用更为优异的热 控制性能的封装材料。 1 . 1 . 1 传统热控制材料 传统热控制材料 (7 ,1 1 大多 采 用具 有低膨 胀系数的i n v a r 合金 ( f e - n i ) . k o v a r ( f e - n i - c o )合金，以及用低膨胀高热导金属与高热导率金属复合的材料，如: c u - w. c u - m。 等。图 1 - 1 所示为几种常用的传统热控制材料的性能比较，可以 西北工业大学硕士学位论文 图1 - 3无压浸渗原理示意图 3 8 1 f i g . 1 - 3 s c h e m a t i c d ia g r a m o f p r e s s u re l e s s i n f i l t r a t i o n 无压浸渗工艺正是借助金属熔体与多孔预制件接触时受到的毛细附加压 力， 使金属熔体自 发浸入增强体的多孔预制件， 而此工艺可以 获得致密、 连续显 微组织的制品 1 3 6 ,3 7 1 . 预制件可预先制成所需的形状， 渗入后制品 保形性好， 因 此， 用该方法制备出来的制品形状近终型。 尺寸精确， 能够用于制造大尺寸及复杂形 状的制品。 利用该方法可制备高体积分数增强颖粒的金属基复合材料， 最高可达 7 0 - 7 5 v o l %， 这是其它方法很难得到的。此外，无压浸渗工艺过程简单， 无需 特殊设备，相对成本低廉，易于工业化大规模生产。 实现无压浸渗的固体颗粒与液态金属体系必须满足一定的条件。 首先， 金属 液与固体颗粒之间的润湿性要好。 好的润湿性是实现无压浸渗的前提。 在通常条 件下，用于制备颗粒增强m mc s 的基体/ 增强体体系中，陶瓷颗粒与金属之间几 乎不润湿， 这也是金属基复合材料制备的突出难度所在。 再者， 预制件必须有相 互连通的浸渗通道。 作为金属液浸入通道的孔隙， 其尺寸及分布应该均匀、 相互 连通。而预制件的孔隙会受到增强体颗粒的形状、尺寸以及分布等因素的影响。 与用其它方法制备复合材料的研究一样， 界面反应与控制也是无压浸渗研究 的重点。 界面反应的产物通常是脆性相， 过量的界面反应会使界面成为薄弱环节， 引起复合材料性能下降。 对界面化学反应进行有效的控制， 获得最优的界面反应 层厚度，既利于制备工艺的实现，又利于性能控制。 实现熔体的无压浸渗， 最为关键的是体系的润湿问题， 目 前的研究工作围绕 以 下几个方面进行: 一是预制体颗粒表面改性处理3 9 .40 1 。 金属与金属间一般均能 润湿， 因此可以将颗粒表面进行金属化改进， 从而促进润湿， 或者是在颗粒表面 西北工业大学硕士学位论文 涂 镀一层利于 润 湿的 化学 涂层。 二 是调整 金 属或 合金液的 成分 1 9 ,4 11 。 添 加合金元 素或调整合金某一元素的含量， 提高体系的润湿性。 由于表面氧化层、 浸渗气氛 杂质等因素都会影响浸润， 因 此， 调整金属液成分改善润湿性有许多不确定的因 素，目 前的研究重复性较差。 此外， 合金元素的加入可能会使凝固变得复杂， 冷 却过程中的相变会带来新的结构或性能方面的问 题。 1 .2 . 2 无压浸渗法制备高含量s i p / a l 热控制材料 通常的高耐磨低膨胀高硅铝合金含硅量大约在2 0 - 3 5 % w t ， 主要用于发动机 活 塞、 缸 体， 一 般 采 用 特 种 铸 造 或 喷 射 沉 积 等 方 法 制 备 2 9 ,3 0 1 。 英 国o s p r e y 公 司 采用喷 射沉积工 艺制备出了5 0 - 7 0 w t% s i / a l 材料 3 0 ,4 2 1 ， c . w . c h ie n 等则 采用 挤 压 浸渗方 法制备出a l / 6 0 v o l . % s i p 复 合材 料4 3 1 。 由 于高含量s i / a l 材料 含s i 量 很高 ( 5 0 -7 5 %) ，且s i / a l 之间润湿，故适宜采用a l ( 或a l 合金) 熔体无压浸 渗s i 多孔体的方法制备。 如图1 - 4 1 4 4 1 所示， a l 与s i 属于共晶 体系， 高 含量的s i 会少量 溶于a 1 熔体中， 其界面可形成溶解润湿， 满足无压浸渗的基本条件。 进一步采用a i / s i 合金浸渗， 将使s i 更少固溶于合金中从而保持骨架结构，只有界面处的s i 部分溶于浸渗 a l 液。通过控制制备温度，抑制s i 骨架的过度溶解，并使得熔体的结晶温度区 间小， 流动性好， 利于浸渗和凝固时的补缩。 通过控制工艺参数， 促使铝合金熔 体凝固时初析s i 和共晶s i 沿原s i 骨架生长， 使得硅骨架呈三维网络状连续， 有 效约束铝基体的受热膨胀， 并利于导热性能的发挥。 在硅相呈三维网络状连续的 同时， 铝基体也会三维连通， 保证了铝基体的连续性和完整性， 对提高复合材料 尸万曰厂门尸口门 厂厂厂厂厂厂厂厂口 i mooioo 厂厂爪尸厂厂 厂叮厂尸口厂 口一.i- 尸陌厂尸! 丁尸. 门 丽 一 二1 一叫 c l一f _ _ - 厂厂厂几厂厂厂厂厂 厂汽v厂厂厂厂厂厂 厂口厂厂厂厂厂厂厂 眨万厂厂厂广厂叮 n 蔽所巨巨卜 1尸尸斤 砚 . . 一 一 侧创 目 m 户 . 门 .护 日 山 . . 图1 - 4 a i- s i 二 元 合 金平 衡 相图 ” f i g . 1 - 4 a l u m i n u m - s i l i c o n e q u i l i b r i u m d i a g r a m . 西北工业大学硕士学位论文 巴，.曰巴里巴已巴巴叹里里 力学性能有利。 由 于采用熔体浸渗技术， 材料致密度高， 并且可以 用热导率很高 的纯a 1 直接浸渗多孔s i 骨架， 可望获得比用高硅铝合金喷射沉积工艺制备的7 0 w t . % s i p / a 】 材料更高的 热导率和更低的热膨胀系数。 1 . 3 金属基复合材料凝固机理的研究现状 液态法制备金属基复合材料不可避免地要涉及到液相的凝固过程。 凝固是自 液态向固态转变的相变过程， 对材料的制备以及组织性能都起着重要的作用。 尽 管近年来对复合材料凝固的研究己 越来越引起人们的注意， 但仍有许多不清楚的 地方。 金属基复合材料凝固时， 特别是增强相含量较高时， 凝固区被限制在增强 体分割的狭小间隙内， 温度场和溶质场的分布也将受到很强烈的影响， 因此， 液 相法制备金属基复合材料的凝固过程比传统的单一金属合金液要复杂得多， 其液 相金属的形核、长大以 及与增强相的复合过程， 都会有其独特的行为14 5 ,4 6 1 在传统合金的铸造生产或凝固研究时，经常会往合金液中添加异质固体颗 粒，以促进异质形核， 达到细化晶粒的目的。 对于金属基复合材料， 增强相能否 起到促进异质形核的作用取决于多种因素。 根据金属凝固形核的基本理论， 在异质形核条件下，临界晶核形核功为12 8 1 , y w八， _ _ _ 。. _ _ _ 。 、 丫 泞 吮丁 丁 丁 一c w 口十 b 口1 ( a u ， ) ( i 一3 ) 式中，y v f 为单位晶核表面自由能，0 为晶核与介质表面接触角， 4g 。 为单位液 相和固相的表面自由能。 只要晶核与介质的接触角小于1 8 0 0， 液相在介质表面 形核在能量上是有利的。 然而， 根据杨式方程给出的能量判据2 8 1 . y l , ” y . , + y l c o s b( 1 -4 ) c o s b = 2 匕 卫 三 y .l ( 1 一5 ) 式中，y l , 为液相与介质的界面能;y， 为晶 核与介质的界面能;y: 为晶核与 液体的界面能。非均匀形核的条件是晶核与介质接触角小于9 0 0，即介质一 液相 表面自由能大于介质一 形核界面的自由能时， 晶核才能在介质表面铺展长大， 而 s i / a l 体系符合该条件。此外，晶核与介质的电子势也会影响金属的形核过程。 介质 表 面的曲 率 也是 影 响 形 核的 过 程 的 重要 因 素 12 8 ,4 5 ) . 凹陷 的 表 面比 凸 起的 表 面 更利于形核。 西北工业大学硕士学位论文 图1 - 5平板介质表面非均质形核示意图 12 8 1 f i g . 1 - 5 h e t e r o g e n e o u s n u c l e a t i o n o f n u c l e u s o n t h e p l a n a r s u b s t r a t e s . 吴树 森14 7 讨论了a 1 2 0 3 / a l - s i 复合材 料中s i 相的 形核问 题， 认为 影响 金属 在 既定固相面非均匀形核有两个因素， 晶格错配度和界面能. 液态金属与增强体的 润湿性、 界面反应以及界面能都会影响基体的非均匀形核过程。基体结构， 化学 因素( 两相异类原子之间的结合能力) 以及表面状态等对孕育剂的形核效果都起 到重要作用。 文献 4 8 通过s ic p , c p 增强a l - c u , a l 一 s i 复合材料凝固 温度场和 溶质场的计算表明， s i 相容易在s i c p 表面非均匀形核， 而a ( a l ) 相难以 在颗粒表 面非均匀形核，计算结果与实验结果吻合较好。 增强体对基体合金的长大过程也会产生重要作用。 颗粒的存在会对凝固前沿 的 温度场、 溶质的再分配等产生阻 碍作用。 文献【 4 9 采用透明 介质研究纤维的 存 在对复合材料凝固界面生长形态的影响， 发现随着纤维数量的增加和纤维间距的 减小， 凝固前沿的形貌会由平界面转变为胞状， _ ， 二_ j- 一 ，说明纤维明显地 阻碍了溶质以及热量的传输。 高含量 s i / a l 复合材料在无压浸渗完成后的凝固过程，有别于a l - s i 合金的 凝固，要复杂得多，各相的形核、长大以及与 s i 固体骨架的复合过程，都会有 其独特的行为。 其液相成分主要为a l 和 s i . s i 的 含量甚至很高 ( 9 5 0 时， s i 的饱和浓度约为4 0 %) ， 在冷却凝固时， 由于固相s i 的含量很高， 凝固区被限制 在 s i 颗粒组成的狭小间隙内，属于微区内液相合金的凝固问题。目前，关于这 方面研究文献尚不多见，本文欲作初步探讨。 1 . 4 金属基复合材料热物理性能的研究现状 复合材料是根据物理性能的复合原理来设计制备的新型材料， 目前较为成熟 的是力学性能的复合， 主要用作结构材料， 相应地对于复合材料力学性能的研究 西北工业大学硕士学位论文 巴粤里.口.口里曰巴弓斗曰曰曰曰.里里曰 较多 13 7 1 。实际上，复合材料设计自 由 度大的 特点更适于发展功能复合材料， 特 别是结构功能一体化复合材料. 功能复合材料涉及的范围很广， 涉及电、 磁、 光、 声、 热、 机械功能和化学功能等众多领域。 在单一功能体的复合材料中， 功能性 质一般由功能体提供， 基体既起粘接和赋形的作用， 同时影响复合材料整体的物 理性能。 金属基热控制复合材料，其设计的基本原则就是通过组分和含量比例的选 择， 得到适合要求的热物理性能， 因此， 属于热功能复合材料。 组分的热物理性 能。 增强相 ( 功能相)的体积分数、形态、尺寸， 基体与增强相之间的界面性能 等都会对金属基热控制复合材料的热物理性能产生重要影响， 有必要对这种复合 材料的热性能进行深入的研究。 热控制材料的热物理性能主要包括热导率和热膨 胀系数。 1 .4 . 1 金属基复合材料的热膨胀系数 材料的热膨胀本质上为原子作热振动时振动中心偏离平衡位置所致。 通常的 单相材料， 其热膨胀会随温度的升高而升高15 0 1 。 而对于某些合金和复合材料来 说，由于相变、 磁致伸缩以及本身内部组织结构的原因，受热膨胀会表现出一些 特殊的规律。 复合材料的热膨胀行为极为复杂。 由于组分材料之间热膨胀系数的不同， 将 在复合材料内部产生复杂的应力， 反过来这些复杂的应力分布又对组分的热膨胀 行为产生约束和抑制作用15 0 1 。 对材料热膨胀行为的 研究，目 前己 发展出多 种理 论模型。 主要有混合法则、 k e m e : 模型、 t u rn e r 模型、 s c h a p e ry模型等。 混合法则15 0 】 是将复合材料设计的最基本的原则直接用于预测复合材料的热 膨胀行为，认为复合材料的热膨胀系数是组成相以体积分数为权的加权平均值。 计算式为: a = ( 1 一 v p l nr + v p a p ( 1 - 6 ) 式中，a , u p , a m 分别为复合材料、 增强相和基体相的热膨胀系数， v p 为增强相 的体积分数。该模型没有考虑相之间的相互作用对整体材料的热膨胀行为的影 响，只能用于复合材料热膨胀系数的粗略估计。 k e 而e r 模型(5 1 ,5 2 ,5 3 1 运用 热弹性能量 极值原 理， 考虑复合材 料内 部晶界 或 相 界之间的切变效应，推导出复合材料的热膨胀系数，适用于增强体颗粒为球形， 西北工业大学硕士学位论文 外面是均匀的基体的情形。计算式为: 一_ _。_ _、 ，、k。 一k ， a, . = a+v a u一v o i l a，一a. . i x 一 ( 1 一 v , ) k m + v p k p + ( 3 k p k m / 4 g , ) ( 1 一7 ) k = e 3 ( 3 一 e / 的 ( i 一8 ) 式中，v m v p 为基体和增强体的体积分数; am, a p 为基体和增强体的热膨胀系数; k为体模量，e为弹性模量，g为剪切模量。 t u r n e r 模型5 1 ,5 2 ,5 3 ) 仅 考虑材料受 热过程中 每个均匀区 域中 相 邻区 域中 相 邻相之间的均匀应力，认为复合材料组成相中只存在均匀静应力。 a,= 气嘴岛 + a , 称k p v m k m + v p k , ( i 一9 ) v a, k m * 一v p k p 其中 k ,=3 凡 + 4 伟 3 k p + 4 g p v u.玲 一，. 一 ( 1 一1 0 ) 3 k , + 4 g , 3 k p + 4 g p 式中各符号的意义同k e m e r 模型。 s c h a p e ry模型 15 1 ,5 2 ,5 3 1 用 近 似 微 观 力 学 表 达 式 预 测了 连 续 长 纤 维 复 合 材 料 纵 向线性热膨胀系数。 在常用的几个模型中， 只有该模型考虑到了各相之间应力的 相互影响。 该模型假定复合材料的基体和增强体的变形都在弹性变形范围。 其计 算式为: _ _. _ . _1 ( ii k c 一 (1/k, 理 涛户 一里 。 ， 尸“离孟 了 ，. 记 40 了 1 尸 气 十 - - 一 ， r 气 r 一 ， 一 一 ( 1 1 k . 厂( i j k p ) ( 1 一1 1 ) 式中的k为压缩模量，其上下边界大小由h a s h i n a n d s t ri k h m a n 边界给出。下边 界值: k c , = k ， 十 + - ， j 二一一 玲 1二心 ( 1 一1 z ) k , 一 k m k m+ 4 g , 上边界值: 西北工业大学硕士学位论文 k c , ,a a , = k , + ( 1 一1 3 ) 十 嗡 1二v p k m 一 k p凡+ 4 g p 式中各符号的意义同前。 k c 分别取上下边界 值就可得到有效热膨胀系数的下边 界值和上边界值。 此外，文献 5 4 基于均匀化理论建立了复合材料热膨胀系数的预测方法。 总的来说， 以上计算模型都只考虑到基体和增强体本身的热膨胀系数和体积 分数对复合材料的有效热膨胀系数的影响， 而没有考虑颗粒大小、 形状、 温度等 因素的影响。 实际上， 这些因素在很多情况下是不能忽略的， 一般要用实验或模 拟的手段来修正。 1 .4 .2 金属基复合材料的导热性能 材料内部温度不均匀， 或者两个温度不同的物体相接触， 热量便会从高温区 向 低温区传递。 材料的热导率便是表征这种能力的物理量， 亦称导热系数， 即单 位温度下单位时间内通过单位垂直面积的热量， 单位为w / ( m k ) 或j / ( m k s ) s o d 。不同的材料有着不同导热机理， 导热系数的大小也各有千秋。 金属材料， 导热主要靠自由电子的热运动， 其热导率一般都较高， 温度、 晶粒尺寸、 所含杂 质等因素都会影响到热导率的大小。 无机非金属材料， 主要靠声子机制导热。 无 机非金属材料中既有导热能力较差的绝热材料， 又有热的良 导体( 如金刚石 ) 。 无 机非金属材料的热导率也主要受温度、 化学组成、 晶体结构、 晶粒大小等因素的 影响，例如，在多种晶型的金刚石中，只有a ,， 型金刚石才是热的良导体，而其 余的类型均为热的不良 导体。 对于复相材料， 如金属基复合材料， 通常由 这两种 基本材料复合而成， 因此整体上这两种导热机制都存在， 导热率的影响因素比 较 复杂， 除了 单相材料的一些因素以 外， 像组成相的形态、 界面、 材料的孔隙 率等 都有很大的影响。 至今为止， 有关复合材料热传导率的理论模型不下于十几种， 其中最有代表 性的是h a r s h i n 等人提出的适用于分散组织的模型、 l a n d a u e r 提出的适用于两相 连续 体系的 模型和m a x w e l l 模型、 h a s s e l m a n - j o h n s o n 模型。由 于h a r s h i n 模型 将分散相作为球形理想化， 其预测的结果与实际的相差较大。 h a m i lt o n 等人将分 散相的形状因子导入 h a r s h i n 模型，得出的结论与实际更为接近。但是上述的理 西北工业大学硕士学位论文 论模型受其适用复合组织范围的限制， 不能在全组分范围内较为精确地预测复合 材料热导率。 m a x w e l l 模型5 5 ,5 6 1 没 有考虑界 面复 合材料热导率的影响。 计算式为 kff =km 2 (k p - k m p + k , + 2 k m (k , - k . , + k o + 2 k . ( 1 一1 4 ) 式中，v p v . 分别为 基体 和 增强体的 体 积分 数; k p . k , 分别为 基体和增强 体的 热导率。 h a s s e l m a n a n d j o h n s o n 模 型 15 5 ,5 6 1 考 虑 到 了 界 面 热 阻 以 及 颗 粒 尺 寸 的 影 响 ， 但其适用条件是增强体的体积分数较小、 颗粒分散在金属基体的情况。 计算式为: k ff = ( 2 仅. k m ( 7 - - / k 。 一k p / a h , 。 + k p / a h , 凡+ k , n / k . + k p /a h , + 2 ) / k . + 2 k p / a h , + 2 ) 一 ，)k p + k ( 1 一1 4 ) 1 一 k p i k 式中，a 为颗粒的直径，h 。 为界面热阻。其它符号意义如上。 从h a s s e l m a n a n d j o h n s o n模型可以 看出，复合材料的有效热导率和基体热 导率 之比长 刀 / k , 在体积分 数一定时由x d a h 。 的 大小决 定。 从实验的角度看， 这些理论模型都有意无意地忽略掉许多可能影响复合材料 有效导热系数的因素， 因此与实测结果有较大的误差。 实际上， 复合材料的界面 状况，增强体的含量及形态等因素都会对复合材料的导热性能产生影响。 文献 5 7 , 5 8 从实 验和h a s s e l m a n 模型的 计算结果 表明， 复合 材料的 热导 率随 着si c颗粒尺寸的增加而增加。文献 5 9 的 研究发 现， si c的体积含量的变化对 s i c p / a 1 复合材料的热导的影响存在一个临界值。当si c的体积含量低于该临界 值时，复合材料的热导率会随si c的含量增加而明显减小;而高于该临界值时， 随si c 含量的增加， 复合材料的热导率增加并不显著。 文献 6 0 计算出 界面热传 导数值， 认为不同界面类型复合材料的界面热传导率不同， 浸润型界面的热传导 率比 非浸润性界面的高， 浸润界面和反应界面热传导率值的差值不大。 文献 6 1 对两相复合材料的导热性能做了 研究， 并将其简化为介质中含有简立方结构的杂 质，针对此结构的复合材料给出了温度场表达式从而计算了该材料的热传导系 数，与实验结果基本吻合。 总得来说，目前关于复合材料热性能研究， 在对复合材料热膨胀系数的方面 主要不足是没有考虑界面的影响，而对热导率的研究虽然考虑了界面热阻的影 西北工业大学硕士学位论文 响， 但是都是基于增强相在基体中呈分散状态的情况。 对于增强相呈连续状的复 合材料的热性能研究，目 前的报道很少. 1 . 5本文的目的和课题来源 本文的目的是采用高体积含量的s i 与a i 复合， 制备出高热导、 低膨胀、 轻 质的新型热控制材料。 开展此材料的无压浸渗制备工艺和热物理性能的研究: 揭 示a 1 ( 及其合金)液浸渗s i 多孔体的实现条件和影响因素; 探索a l 液在s i 颗 粒间隙 微区凝固的 特点: 分析材料的组织特点 和热物理性能， 及两者之间的关系。 本文得到“ 航空基础科学基金资助项目( o i g 5 3 0 4 1 ) , 陕西省自 然科学基 金资助项目 ( 2 0 0 3 c s 0 4 0 2 ) 等基金项目的资助。 西北工业大学硕士学位论文 第二章 研究内容及方法 2 . 1 研究内容及研究方案 本文采用熔融a l ( 及其合金) 液浸渗s i 多孔预制体的方法，制备高热导率 低膨胀高含量s i p / a l 热控制材料。并以 此为研究 对象，对浸渗用高热导率s i 多 孔预制件制备、 a l ( 及其合金) 熔体浸渗s i 多孔预制件的浸渗过程、 凝固特征、 复合材料的微观组织和热物理特性进行理论与实验研究。 1 ) 研究高含量s i p / a 1 热控制材料的浸渗过程 研究a 1 合金液浸渗s i 多孔体的浸渗规律;研究a 1 合金熔体在浸渗过程中 成分对浸渗规律的影响;考察 s i 多孔骨架的稳定性，同时研究浸渗过程对热传 导特性及机械性能的影响规律。 初步研究a i 合金液浸渗s i 多孔体后的凝固规律， 特别是a 1 合金液在s i 颗粒间隙的微区形核长大规律。 2 )无压浸渗高含量s i p / a l 热控制材料的组织分析 研究无压浸渗高含量s i p 从1 热控制材料的组织特点， 分析其成因以 及对复合 材料性能的影响。 3 ) 研究高热导率低膨胀高含量s i p / a l 热控制材料的热物理性能 研究无压浸渗高含量s i p / a i 热控制功能材料的c t e 及热传导特性， 运用多 相材料传热理论分析此新型热控制材料的散热效能和热膨胀性能等。 本文的总体研究方案如下: 设备研制合金选择 预制体制备 合金熔配 厂 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 令 l l 1 浸渗实验 工艺分析组织分析 性能测试 i i l i l _ 西北工业大学硕士学位论文 2 .2 材料选择 实 验所选用的 基体 合金为自 配a l - m g - s i 合金， 具体成分 如表2 - 1 所示 s i 粉选用3 0 0目 单晶硅粉。 为了解s i 颗粒表面状态对浸渗过程， 将s i 粉分 为两组:i 和i i 。其中i 组保持出厂状态;i i 采用高温氧化的方法在 s i 颗粒表 面生成一层s i o 2 膜。两种状态的硅粉表面x r d图谱如图2 - 1 所示。 表2 - 1浸渗合金成分 t a b l e 2 - 1 c h e m i c a l c o m p o s i t i o n o f t h e a i - a l l o y s ms -一- . . . . . . . . . . . 月 .一 一一一- 一一一 1 2 3 4 m夕 o 3 6 1 0 x0 . 0 1 % re ma i n 断al . 哩 竺 ，