本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域，特別涉及一種碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代電子信息技術(shù)的高速發(fā)展，電子元器件內(nèi)部芯片集成度迅速提高、功率快速增大，電子器件工作所產(chǎn)生的熱量急劇增大，對電子封裝材料導(dǎo)熱性能的需求越來越高；同時隨著芯片集成度的提高，電子產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜化、精細(xì)化，這對電子封裝材料與芯片及其它半導(dǎo)體器件的熱匹配性能要求也越來越高。近年來，顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料用作電子封裝材料的優(yōu)勢逐漸被人們所認(rèn)知，其中以碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料SiCp/Al)為代表的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料已經(jīng)成為新型電子封裝材料的重要開發(fā)方向之一。
在電子元器件的工作過程中，工作溫度的升高使電子元器件失效的概率增大，因而要求電子封裝材料應(yīng)該具備良好的導(dǎo)熱性能。因此，熱導(dǎo)率是電子封裝用SiCp/Al復(fù)合材料最為重要的性能指標(biāo)。目前的SiCp/Al復(fù)合材料制備方法主要可以分為：(1)固態(tài)法，如粉末冶金法、熱壓法；(2)液態(tài)金屬法，如擠壓鑄造法、攪拌鑄造法、液態(tài)金屬浸滲法；(3)自生成法及其他制備方法，如自蔓延高溫合成法、放熱彌散法。其中，液態(tài)金屬法因其相對較低的成本且可進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)而具有更廣闊的應(yīng)用前景。液相金屬法中的液相金屬和固相增強(qiáng)相之間的潤濕和附著行為起著至關(guān)重要的作用，兩相間產(chǎn)生的孔隙和相界面狀態(tài)對復(fù)合材料的機(jī)械性能、熱物理性能以及耐腐蝕性能都有十分直觀的影響，但是目前對液相金屬法制造復(fù)合材料的上述缺陷的研究較少，復(fù)合材料制備過程中，固態(tài)相表面和液態(tài)相差距較大，熱熔滲過程中兩相不能充分浸潤，在兩相間十分容易形成殘余氣孔、SiC顆粒與鋁基體之間容易形成微裂紋等材料缺陷，造成制備的電子元器件性能不足，制約了SiCp/Al復(fù)合材料的發(fā)展。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為解決現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，本發(fā)明提供了一種碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，使得采用液相金屬法制造的復(fù)合材料固液兩相浸潤更加充分，相間氣孔率明顯減少，復(fù)合材料導(dǎo)熱率提高。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其具體步驟為：
1)初步堿洗：由于碳化硅(SiC)顆粒中含有大量的Si和SiO2夾渣，且SiC表面容易形成SiO2薄膜，影響了熱分解過程中Ir-Cu復(fù)合層的形成和附著，因此應(yīng)當(dāng)予以去除。由于硅和SiO2均能與強(qiáng)堿發(fā)生反應(yīng)，但是SiC在強(qiáng)堿溶液中比較穩(wěn)定，所以選擇強(qiáng)堿作為清除碳化硅顆粒中Si和SiO2的清洗劑，Si和SiO2在強(qiáng)堿中的反應(yīng)方程式為：
Si+2OH-+H2O→SiO32-+2H2↑
SiO2+2OH-→SiO32-+H2O
首先配置物質(zhì)的量濃度為2～5mol/L的強(qiáng)堿溶液，然后將配置好的強(qiáng)堿溶液加熱到60～80℃保溫，將碳化硅顆粒浸入強(qiáng)堿溶液中，浸泡時間為2～4小時，浸泡過程中不斷對溶液進(jìn)行攪拌。堿洗完成后用自來水稀釋堿液并過濾分離碳化硅顆粒和溶液，將過濾后的碳化硅顆粒再用清水浸洗去除顆粒表面殘存的堿液，然后過濾烘干獲得堿洗后的碳化硅顆粒。
2)刻蝕：為了獲得附著力良好的Ir-Cu復(fù)合層，需要對碳化硅顆粒表面進(jìn)行刻蝕，一方面可以提高顆粒表面的比表面積，從而增加Ir-Cu復(fù)合層的表面積；另一方面可以通過刻蝕提高碳化硅顆粒表面活性，暴露某些利于Ir-Cu復(fù)合層附著的晶面，使得在后續(xù)熱分解過程中，Ir-Cu復(fù)合層能夠和基體緊密附著。由于SiC顆粒在強(qiáng)酸強(qiáng)堿中都很穩(wěn)定，但在HF中腐蝕較劇烈，因此選擇HF作為SiC粉的刻蝕劑，反應(yīng)方程式為：
SiC+4HF＝SiF4+CH4↑
首先配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4％～10％HF溶液，配置過程中對溶液充分?jǐn)嚢?，使得溶液中HF分布均勻。然后將步驟1)所得的堿洗后的碳化硅顆粒浸入配置好的HF溶液中刻蝕，刻蝕溫度為常溫，刻蝕時間為1.5～2.5h。刻蝕完成后將反應(yīng)液在超聲波震蕩機(jī)中震蕩10min，使得碳化硅表面沉積的反應(yīng)物充分溶解到溶液中，然后用自來水稀釋反應(yīng)液并過濾分離碳化硅顆粒和溶液，將過濾后的碳化硅顆粒再用清水浸洗去除粉末表面殘存的反應(yīng)液，然后過濾烘干獲得刻蝕后的碳化硅顆粒。
3)浸泡前驅(qū)體溶液：本發(fā)明所述的前驅(qū)體溶液，是指在熱分解前配置的用來合成、制備Ir-Cu復(fù)合層的化學(xué)試劑配合料，本發(fā)明選擇的前驅(qū)體溶液為氯銥酸(H2IrCl6·6H2O)溶液、乙醇和氯化銅(CuCl2)溶液的混合液。按照體積比氯銥酸溶液(其中銥質(zhì)量百分含量為35％)：乙醇：氯化銅溶液(CuCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20％)＝1：1～2：5～10的量取氯銥酸溶液、乙醇和氯化銅溶液，并將混合液攪拌均勻；然后將步驟2)所得的刻蝕后的碳化硅顆粒浸泡在上述前驅(qū)體溶液中，攪拌5～10min。攪拌后將前驅(qū)體溶液倒出，倒出過程中避免碳化硅顆粒隨著前驅(qū)體溶液流出。然后將浸泡后的碳化硅顆粒鋪展開，均勻地平鋪在不銹鋼板上并移入烘干箱內(nèi)烘干10min；烘干后的碳化硅顆粒再次浸入上述倒出來的前驅(qū)體溶液中攪拌5～10min，攪拌后再次將前驅(qū)體溶液倒出，并再次將浸泡后的碳化硅顆粒鋪展開，均勻地平鋪在不銹鋼板上移入烘干箱內(nèi)烘干10min；重復(fù)以上過程共3～5次，最后一次浸泡前驅(qū)體溶液的工藝為：先攪拌5～10min，然后靜置30～60min。最后獲得表面附著前驅(qū)體相的碳化硅顆粒。
4)熱分解：將步驟3)中獲得的表面附著前驅(qū)體相的碳化硅顆粒在450～500℃的馬弗爐中熱分解1～2h，然后取出空冷至室溫，獲得表面附著Ir-Cu復(fù)合層的碳化硅顆粒。
5)無壓滲透：將步驟4)獲得的碳化硅顆粒和助滲劑按照質(zhì)量比碳化硅：助滲劑為25～35：1的比例混合均勻，助滲劑的加入能夠破壞鋁合金液中的氧化膜，還能促進(jìn)鋁合金液與增強(qiáng)相浸潤。先將混合后的粉末堆積在澆注模子內(nèi)，然后將鋁硅合金在800～900℃下熔化成液態(tài)，再將液態(tài)鋁合金澆注到模子內(nèi)，澆注后立即將模子轉(zhuǎn)移到800～900℃的馬弗爐中保溫0.5～1h。保溫后空冷到400℃以下后水冷至室溫。制得碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。
優(yōu)選地，所述強(qiáng)堿為氫氧化鈉或者氫氧化鉀。
優(yōu)選地，為了使初步堿洗更加充分，在浸泡過程中，采用磁力攪拌法對溶液進(jìn)行攪拌。
優(yōu)選地，碳化硅顆粒的粒度為50～200μm。
優(yōu)選地，為了方便分離，碳化硅和前驅(qū)體溶液的分離工序可以采用抽濾機(jī)抽濾分離。
優(yōu)選地，所述助滲劑為鋁粉、鎂粉、硅粉中的其中一種。
優(yōu)選地，所述鋁硅合金的成分為：Si 6.5％～13％；Fe≤0.7％；Cu≤0.3％；Mn≤0.5％；余量為Al。
優(yōu)選地，可以根據(jù)所需產(chǎn)品的形狀設(shè)計(jì)所述澆注模子內(nèi)腔體的形狀。
本發(fā)明的有益效果是：無壓滲透之前先在SiC表面形成一層Ir-Cu復(fù)合層，能有效改善增強(qiáng)相顆粒界面與鋁合金液相界面的附著程度，進(jìn)而減少兩相間產(chǎn)生的孔隙，宏觀上表現(xiàn)為復(fù)合材料的熱導(dǎo)率提高。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，應(yīng)該理解的是，這些實(shí)施例僅用于例證的目的，絕不限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
實(shí)施例1
一種碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其具體步驟為：
1)初步堿洗：首先配置物質(zhì)的量濃度為2mol/L的強(qiáng)堿溶液，然后將配置好的強(qiáng)堿溶液加熱到60℃保溫，將碳化硅顆粒浸入強(qiáng)堿溶液中，浸泡時間為2h，浸泡過程中不斷對溶液進(jìn)行攪拌。堿洗完成后用自來水稀釋堿液并過濾分離碳化硅顆粒和溶液，將過濾后的碳化硅顆粒再用清水浸洗去除顆粒表面殘存的堿液，然后過濾烘干獲得堿洗后的碳化硅顆粒。
2)刻蝕：首先配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4％HF溶液，配置過程中對溶液充分?jǐn)嚢瑁沟萌芤褐蠬F分布均勻。然后將步驟1)所得的堿洗后的碳化硅顆粒浸入配置好的HF溶液中刻蝕，刻蝕溫度為常溫，刻蝕時間為1.5h?？涛g完成后將反應(yīng)液在超聲波震蕩機(jī)中震蕩10min，使得碳化硅表面沉積的反應(yīng)物充分溶解到溶液中，然后用自來水稀釋反應(yīng)液并過濾分離碳化硅顆粒和溶液，將過濾后的碳化硅顆粒再用清水浸洗去除粉末表面殘存的反應(yīng)液，然后過濾烘干獲得刻蝕后的碳化硅顆粒。
3)浸泡前驅(qū)體溶液：按照體積比氯銥酸溶液(其中銥質(zhì)量百分含量為35％)：乙醇：氯化銅溶液(CuCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20％)＝1：1：5的量取氯銥酸溶液、乙醇和氯化銅溶液，并將混合液攪拌均勻；然后將步驟2)所得的刻蝕后的碳化硅顆粒浸泡在上述前驅(qū)體溶液中，攪拌5min。攪拌后將前驅(qū)體溶液倒出，倒出過程中避免碳化硅顆粒隨著前驅(qū)體溶液流出。然后將浸泡后的碳化硅顆粒鋪展開，均勻地平鋪在不銹鋼板上并移入烘干箱內(nèi)烘干10min；烘干后的碳化硅顆粒再次浸入上述倒出來的前驅(qū)體溶液中攪拌5min，攪拌后再次將前驅(qū)體溶液倒出，并再次將浸泡后的碳化硅顆粒鋪展開，均勻地平鋪在不銹鋼板上移入烘干箱內(nèi)烘干10min；重復(fù)以上過程共3次，最后一次浸泡前驅(qū)體溶液的工藝為：先攪拌5min，然后靜置30min。最后獲得表面附著前驅(qū)體相的碳化硅顆粒。
4)熱分解：將步驟3)中獲得的表面附著前驅(qū)體相的碳化硅顆粒在450℃的馬弗爐中熱分解1h，然后取出空冷至室溫，獲得表面附著Ir-Cu復(fù)合層的碳化硅顆粒。
5)無壓滲透：將步驟4)獲得的碳化硅顆粒和助滲劑按照質(zhì)量比碳化硅：助滲劑為25：1的比例混合均勻，助滲劑的加入能夠破壞鋁合金液中的氧化膜，還能促進(jìn)鋁合金液與增強(qiáng)相浸潤。先將混合后的粉末堆積在澆注模子內(nèi)，然后將鋁硅合金在800℃下熔化成液態(tài)，再將液態(tài)鋁合金澆注到模子內(nèi)，澆注后立即將模子轉(zhuǎn)移到800℃的馬弗爐中保溫0.5h。保溫后空冷到400℃以下后水冷至室溫。制得碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。
采用激光閃射熱導(dǎo)儀測試復(fù)合材料的熱擴(kuò)散系數(shù)，在通過換算獲得復(fù)合材料熱導(dǎo)率，結(jié)果如表1所示。
實(shí)施例2：
一種碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其具體步驟為：
1)初步堿洗：首先配置物質(zhì)的量濃度為3mol/L的強(qiáng)堿溶液，然后將配置好的強(qiáng)堿溶液加熱到70℃保溫，將碳化硅顆粒浸入強(qiáng)堿溶液中，浸泡時間為3小時，浸泡過程中不斷對溶液進(jìn)行攪拌。堿洗完成后用自來水稀釋堿液并過濾分離碳化硅顆粒和溶液，將過濾后的碳化硅顆粒再用清水浸洗去除顆粒表面殘存的堿液，然后過濾烘干獲得堿洗后的碳化硅顆粒。
2)刻蝕：首先配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8％HF溶液，配置過程中對溶液充分?jǐn)嚢瑁沟萌芤褐蠬F分布均勻。然后將步驟1)所得的堿洗后的碳化硅顆粒浸入配置好的HF溶液中刻蝕，刻蝕溫度為常溫，刻蝕時間為2h?？涛g完成后將反應(yīng)液在超聲波震蕩機(jī)中震蕩10min，使得碳化硅表面沉積的反應(yīng)物充分溶解到溶液中，然后用自來水稀釋反應(yīng)液并過濾分離碳化硅顆粒和溶液，將過濾后的碳化硅顆粒再用清水浸洗去除粉末表面殘存的反應(yīng)液，然后過濾烘干獲得刻蝕后的碳化硅顆粒。
3)浸泡前驅(qū)體溶液：按照體積比氯銥酸溶液(其中銥質(zhì)量百分含量為35％)：乙醇：氯化銅溶液(CuCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20％)＝1：1.5：8的量取氯銥酸溶液、乙醇和氯化銅溶液，并將混合液攪拌均勻；然后將步驟2)所得的刻蝕后的碳化硅顆粒浸泡在上述前驅(qū)體溶液中，攪拌8min。攪拌后將前驅(qū)體溶液倒出，倒出過程中避免碳化硅顆粒隨著前驅(qū)體溶液流出。然后將浸泡后的碳化硅顆粒鋪展開，均勻地平鋪在不銹鋼板上并移入烘干箱內(nèi)烘干10min；烘干后的碳化硅顆粒再次浸入上述倒出來的前驅(qū)體溶液中攪拌8min，攪拌后再次將前驅(qū)體溶液倒出，并再次將浸泡后的碳化硅顆粒鋪展開，均勻地平鋪在不銹鋼板上移入烘干箱內(nèi)烘干10min；重復(fù)以上過程共4次，最后一次浸泡前驅(qū)體溶液的工藝為：先攪拌8min，然后靜置50min。最后獲得表面附著前驅(qū)體相的碳化硅顆粒。
4)熱分解：將步驟3)中獲得的表面附著前驅(qū)體相的碳化硅顆粒在480℃的馬弗爐中熱分解1.5h，然后取出空冷至室溫，獲得表面附著Ir-Cu復(fù)合層的碳化硅顆粒。
5)無壓滲透：將步驟4)獲得的碳化硅顆粒和助滲劑按照質(zhì)量比碳化硅：助滲劑為30：1的比例混合均勻，助滲劑的加入能夠破壞鋁合金液中的氧化膜，還能促進(jìn)鋁合金液與增強(qiáng)相浸潤。先將混合后的粉末堆積在澆注模子內(nèi)，然后將鋁硅合金在850℃下熔化成液態(tài)，再將液態(tài)鋁合金澆注到模子內(nèi)，澆注后立即將模子轉(zhuǎn)移到850℃的馬弗爐中保溫0.7h。保溫后空冷到400℃以下后水冷至室溫。制得碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。
采用激光閃射熱導(dǎo)儀測試復(fù)合材料的熱擴(kuò)散系數(shù)，在通過換算獲得復(fù)合材料熱導(dǎo)率，結(jié)果如表1所示。
實(shí)施例3：
一種碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其具體步驟為：
1)初步堿洗：首先配置物質(zhì)的量濃度為5mol/L的強(qiáng)堿溶液，然后將配置好的強(qiáng)堿溶液加熱到80℃保溫，將碳化硅顆粒浸入強(qiáng)堿溶液中，浸泡時間為4小時，浸泡過程中不斷對溶液進(jìn)行攪拌。堿洗完成后用自來水稀釋堿液并過濾分離碳化硅顆粒和溶液，將過濾后的碳化硅顆粒再用清水浸洗去除顆粒表面殘存的堿液，然后過濾烘干獲得堿洗后的碳化硅顆粒。
2)刻蝕：首先配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％HF溶液，配置過程中對溶液充分?jǐn)嚢瑁沟萌芤褐蠬F分布均勻。然后將步驟1)所得的堿洗后的碳化硅顆粒浸入配置好的HF溶液中刻蝕，刻蝕溫度為常溫，刻蝕時間為2.5h?？涛g完成后將反應(yīng)液在超聲波震蕩機(jī)中震蕩10min，使得碳化硅表面沉積的反應(yīng)物充分溶解到溶液中，然后用自來水稀釋反應(yīng)液并過濾分離碳化硅顆粒和溶液，將過濾后的碳化硅顆粒再用清水浸洗去除粉末表面殘存的反應(yīng)液，然后過濾烘干獲得刻蝕后的碳化硅顆粒。
3)浸泡前驅(qū)體溶液：按照體積比氯銥酸溶液(其中銥質(zhì)量百分含量為35％)：乙醇：氯化銅溶液(CuCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20％)＝1：2：10的量取氯銥酸溶液、乙醇和氯化銅溶液，并將混合液攪拌均勻；然后將步驟2)所得的刻蝕后的碳化硅顆粒浸泡在上述前驅(qū)體溶液中，攪拌10min。攪拌后將前驅(qū)體溶液倒出，倒出過程中避免碳化硅顆粒隨著前驅(qū)體溶液流出。然后將浸泡后的碳化硅顆粒鋪展開，均勻地平鋪在不銹鋼板上并移入烘干箱內(nèi)烘干10min；烘干后的碳化硅顆粒再次浸入上述倒出來的前驅(qū)體溶液中攪拌10min，攪拌后再次將前驅(qū)體溶液倒出，并再次將浸泡后的碳化硅顆粒鋪展開，均勻地平鋪在不銹鋼板上移入烘干箱內(nèi)烘干10min；重復(fù)以上過程共5次，最后一次浸泡前驅(qū)體溶液的工藝為：先攪拌10min，然后靜置60min。最后獲得表面附著前驅(qū)體相的碳化硅顆粒。
4)熱分解：將步驟3)中獲得的表面附著前驅(qū)體相的碳化硅顆粒在500℃的馬弗爐中熱分解2h，然后取出空冷至室溫，獲得表面附著Ir-Cu復(fù)合層的碳化硅顆粒。
5)無壓滲透：將步驟4)獲得的碳化硅顆粒和助滲劑按照質(zhì)量比碳化硅：助滲劑為35：1的比例混合均勻，助滲劑的加入能夠破壞鋁合金液中的氧化膜，還能促進(jìn)鋁合金液與增強(qiáng)相浸潤。先將混合后的粉末堆積在澆注模子內(nèi)，然后將鋁硅合金在900℃下熔化成液態(tài)，再將液態(tài)鋁合金澆注到模子內(nèi)，澆注后立即將模子轉(zhuǎn)移到900℃的馬弗爐中保溫1h。保溫后空冷到400℃以下后水冷至室溫。制得碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。
采用激光閃射熱導(dǎo)儀測試復(fù)合材料的熱擴(kuò)散系數(shù)，在通過換算獲得復(fù)合材料熱導(dǎo)率，結(jié)果如表1所示。
表1各實(shí)施例檢測結(jié)果一覽表
表中所述無Ir-Cu復(fù)合層對照組是指省略了本發(fā)明的步驟3)和步驟4)的對照組，也就是說，對照組1和對照組2無壓滲透所用的SiC顆粒表面沒有Ir-Cu復(fù)合層，其他工藝和實(shí)施例中所述一樣。由表1可以看出，通過熱分解法在SiC顆粒表面覆蓋一層Ir-Cu復(fù)合層，能顯著改善碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，這主要是因?yàn)镮r-Cu復(fù)合層的存在提高了SiC顆粒表面的活性，使得增強(qiáng)相更容易和鋁合金液相相浸潤，復(fù)合時兩相間的氣孔率和缺陷形成率降低，導(dǎo)致了熱導(dǎo)率的提高。