1、材 料 导 报 年 月 第 卷 第 期硅 含 量 对 高 硅 铝 合 金 材 料 组 织 及 性 能 的 影 响 杨 伏 良 甘 卫 平 陈 招 科中 南 大 学 材 料 科 学 与 工 程 学 院 , 长 沙摘 要 针 对 航 空 航 天 电 子 封 装 用 轻 质 高 硅 铝 合 金 材 料 , 采 用 空 气 雾 化 水 冷 与 真 空 包 套 热 挤 压 工 艺 相 结 合 的 方法 , 制 备 了 一 和 一 高 硅 铝 合 金 , 并 利 用 金 相 显 微 镜 、 万 能 电 子 拉 伸 机 、 差 热 分 析 仪 、 一 热 物 性 测 试 仪 等设 备 系 统 测 试 和 分
2、 析 了 该 材 料 的 显 微 组 织 、 力 学 和 热 物 理 性 能 。 结 果 表 明 随 着 合 金 中 硅 含 量 的 增 加 , 经 热 挤 压 后 的 硅相 尺 寸 相 对 要 粗 大 一 些 材 料 的 热 导 率 呈 下 降 趋 势 , 热 导 性 能 下 降 的 幅 度 会 随 含 量 的 增 加 而 加 大 热 膨 胀 系 数 下降 材 料 的 杭 拉 强 度 下 降 。关 键 词 快 速 凝 固 真 空 包 套 热 挤 压 一 合 金 气 密 性 导 热 性 电 子 封 装, ,一 一 ,一 一 一一 一 , 一 , , 一 , , , , 一 , ,高 硅 铝 合
3、 金 轻 质 电 子 封 装 材 料 的 质 量 仅 为 金 属 基 一 电子 封 装 材 料 的 , 且 具 有 很 好 的 热 导 性 能 , 热 膨 胀 系 数 能 与 电路 板 广 泛 使 用 的 半 导 体 材 料 相 匹 配 , 因 此 , 作 为 基 片 衬 底 、 机 壳及 盖 板 等 材 料 可 保 证 电 子 器 件 在 使 用 过 程 中 不 致 受 热 或 开 裂 而过 早 失 效 。由 于 的 活 性 很 高 , 在 快 速 凝 固 制 粉 时 不 可 避 免 地 会 形 成一 层 氧 化 膜 , 导 致 致 密 化 过 程 中 合 金 元 素 的 相 互 扩 散 受
4、 到 阻 碍 ,难 以 形 成 冶 金 粘 结 , 因 此 , 需 要 采 用 一 些 特 殊 的 致 密 化 工 艺 。 对于 快 速 凝 固 高 硅 铝 合 金 粉 末 而 言 , 应 用 最 广 泛 的 致 密 化 技 术 是粉 末 热 挤 压 川 。快 速 凝 固 高 硅 铝 合 金 粉 末 热 挤 压 成 形 时 , 由 于 粉 末 含 有 大量 的 初 晶 硅 相 , 材 料 的 塑 性 较 差 , 同 时 由 于 相 颗 粒 硬 度 高 , 加剧 了 模 具 的 磨 损 , 故 一 般 采 用 塑 性 较 好 的 材 料 如 纯 铝 作 包 套封 装 , 。目 前 , 国 内 外
5、 已 有 人 利 用 喷 射 沉 积 粉 末 冶 金 技 术 制 备 出 了含 量 在 以 内 的 过 共 晶 高 硅 铝 合 金 的 二 元 或 多 元 合 金 , 且主 要 集 中 在 一 一 一 系 多 元 耐 磨 合 金 或 高 强 耐 磨 合 金 的研 究 上 , 至 今 未 见 更 高 含 量 的 高 硅 铝 合 金 制 备 技 术 的 报 道 。本 实 验 采 用 快 速 凝 固 粉 末 冶 金 工 艺 制 备 了 含 量 分 别 为和 的 过 共 晶 高 硅 铝 合 金 材 料 , 并 研 究 了 硅 含 量 对 材 料 微 观六组 织 、 导 热 性 、 热 膨 胀 系 数
6、和 力 学 性 能 的 影 响 。实 验材 料 制 备 工 艺 流 程 为 雾 化 制 粉 粉 末 过 筛 真 空 包 套 热挤 压 一 机 加 工 制 样 性 能 测 试 。粉 末 制 备 一将 配 制 好 的 一 合 金 在 感 应 炉 中 加 热 熔 化 、 精 炼 和 脱 气 ,金 属 液 流 经 漏 嘴 流 人 喷 雾 装 置 中 , 被 高 压 气 体 破 碎 后 的 金 属 液滴 直 接 喷 人 距 离 喷 嘴 约 的 高 压 水 流 中 , 经 冷 却 后 , 一粉 末 浆 料 流 经 筛 网 , 过 滤 掉 粗 大 的 金 属 及 杂 物 , 流 人 高 速 旋 转 的甩 干
7、 机 中 进 行 脱 水 处 理 , 经 烘 干 、 过 筛 制 得 各 种 实 验 所 需 粉 末 ,其 制 粉 工 艺 参 数 见 表 。表 制 粉 工 艺 参 数熔 炼 温 度 喷 嘴 孔 径 雾 化 气 体 气 体 压 力入喷 腔 类 型空 气 环 缝 式实 验 按 要 求 配 制 了 硅 含 量 分 别 为 与 的 种 高 硅铝 合 金 其 化 学 分 析 成 分 见 表 , 利 用 气 雾 化 一 水 冷 , 将 其 制 备二 国 防 科 学 技 术 工 业 委 员 会 资 助 项 目 一 。 一杨 伏 良 女 , 年 生 , 副 教 授 , 博 士 研 究 生 一 一 硅 含 量
8、 时 高 硅 铝 合 金 材 料 组 织 及 性 能 的 影 响 杨 伏 良 等成 粉 末 , 并 对 种 成 分 的 合 金 粉 末 进 行 过 目 的 筛 分 处 理 , 其具 体 编 号 及 组 成 见 表 。表 高 硅 铝 合 金 粉 末的 自 生 复 合 材 料 , 一 , 其 硅 含 量 对 材 料 热 导 性 能 的 影 响 可 以 用模 型 , 口 进 行 加 合 计 算 。 其 表 达 式 模 型 如 下、 厂 凡 弋 、 几 一 弋 刁人 一 戊 一 不 片 一 下 不 一 一 一 不 犷 下 不 一 一 二 下 长 ,人 十 乙 编 一 、 人 一 编 少编 号 化 学
9、成 分 质 量百 分 比 粉 末 粒 度。 八 拌余 量余 量簇式 中 , 为 第 二 相 颗 粒 的 体 积 百 分 含 量 入 , 、 称 、 人 分 别 为 颗 粒 、基 体 、 复 合 材 料 的 导 热 率 。根 据 理 论 模 型 计 算 的 种 含 量 材 料 的 热 导 率理 论 值 以 及 实 验 所 得 的 测 量 值 挤 压 后 材 料 如 图 所不 。的势 日渗真 空 包 套 热 挤 压种 合 金 粉 末 经 均 匀 混 合 , 初 装 、 振 实 装 人 特 制 的 纯 铝 包 套内 , 其 密 度 可 达 理 论 密 度 的 , 经 真 空 除 气 后 , 封 闭
10、焊 合 包套 。 挤 压 前 对 样 品 采 用 种 不 同 的 温 度 加 热 保 温 , 其 加 热 温 度 分别 为 、 、 、 , 保 温 时 间 为 。 热 挤 压 实 验 在油 压 机 上 进 行 , 模 具 加 热 温 度 为 , 各 种 挤 压 模 具 首 先置 人 井 式 炉 中 充 分 预 热 保 温 , 在 热 挤 压 过 程 中 用 润 滑 油 润 滑 , 挤压 比 为 纯 铝 包 套 和 挤 压 棒 直 径 分 别 为 和 , 挤压 锥 角 为 。性 能 检 测将 热 挤 压 得 到 的 挤 压 棒 车 去 包 套 并 机 加 工 成 各 种 规 格 的 检测 样 品
11、 。 在 一 热 物 性 测 试 仪 上 进 行 热 扩 散 率 测 试 在 日 本 理学 差 热 分 析 仪 上 进 行 热 膨 胀 系 数 测 试 用 电 子 万 能 拉 伸 试 验 机对 材 料 进 行 抗 拉 强 度 检 测 。一 一 火 , 一 喻 迎 反 一 ,图 导 热 率 随 硅 含 量 的 变 化一 结 果 分 析 与 讨 论门 材 料 微 观 组 织图 为 不 同 硅 含 量 高 硅 铝 合 金 在 护 的 微 观 组 织 形 貌 。由 图 可 知 , 随 着 硅 含 量 的 增 加 , 其 经 热 挤 压 后 的 硅 相 尺 寸 也 相对 要 大 一 些 。 这 主 要
12、有 以 下 两 方 面 的 原 因 首 先 是 在 粉 末 的 制 备过 程 中 , 在 相 同 的 工 艺 条 件 下 , 其 冷 却 速 度 相 同 , 而 我 们 从 一二 元 相 图 可 知 , 对 于 过 共 晶 合 金 , 随 着 硅 含 量 的 增 加 , 合 金 的 结晶 温 度 范 围 变 宽 , 即 晶 核 的 生 长 时 间 延 长 , 从 而 导 致 初 晶 硅 随 合金 中 硅 含 量 的 增 加 而 增 大 , 因 此 , 经 过 后 续 挤 压 加 工 后 , 其 硅 相仍 然 要 大 些 ,其 次 是 在 热 挤 压 过 程 中 , 当 硅 含 量 增 加 时
13、, 硅 相 互相 依 附 生 长 的 机 率 更 大 , 越 容 易 发 生 长 大 , 故 随 着 硅 含 量 的 增一 加 , 其 硅 相 长 大 的 趋 势 就 更 大 , 而 且 容 易 出 现 材 料 内 部 硅 颗 粒 的局 部 偏 聚 , 这 种 偏 聚 往 往 阻 断 了 铝 相 的 连 续 接 触 , 以 及 铝 液 填 充硅 颗 粒 之 间 的 孔 隙 , 造 成 材 料 内 部 出 现 明 显 的 缺 陷 , 使 材 料 的 力学 性 能 及 热 导 性 能 下 降 。由 图 可 知 , 随 着 材 料 中 硅 含 量 的 增 加 , 材 料 的 热 导 率 呈 下降 趋
14、 势 , 而 且 热 导 性 能 下 降 的 幅 度 会 随 硅 含 量 的 增 加 而 加 大 , 其主 要 原 因 有 首 先 , 按 照 复 合 材 料 性 能 的 加 合 规 律 , 低 热 导 硅 相的 增 加 肯 定 会 使 材 料 的 热 导 性 能 下 降 , 这 与 理 论 值 变 化 趋 势 是一 致 的 。 其 次 , 随 着 含 硅 量 的 增 加 , 合 金 形 成 的 富 硅 粒 子 、 硅 相 的数 量 增 多 、 硅 相 尺 寸 增 大 , 铝 相 不 能 很 好 地 稳 固 硅 相 , 从 而 出 现颗 粒 分 布 的 不 均 匀 性 , 如 图 金 相 照
15、片 上 半 部 分 所 富 集 的 条 带状 硅 相 。 在 这 些 区 域 中 , 可 能 没 有 或 者 只 有 很 少 的 铝 基 体 分 布 ,堆 积 的 硅 颗 粒 有 可 能 阻 断 了 铝 基 体 的 连 通 结 构 , 导 致 材 料 内 部产 生 较 多 的 缺 陷 另 外 , 硅 相 与 自 由 电 子 碰 撞 的 几 率 也 逐 渐 增大 , 使 自 由 电 子 定 向 移 动 的 阻 力 增 大 , 从 而 使 其 热 导 性 能 下 降 。图 一 金 相 照 片一 一图 不 同 硅 含 在 挤 压 后 试 样 的 金 相 照 片导 热 性决 速 凝 固 热 挤 压 法
16、 所 制 备 的 高 硅 铝 合 金 材 料 是 一 种 非 常 好再 者 , 硅 相 的 数 量 、 粒 度 和 分 布 对 材 料 导 热 性 能 的 影 响 是 通过 对 声 子 和 电 子 的 散 射 实 现 的 。 声 子 和 自 由 电 子 传 输 热 能 的 能力 会 因 受 到 几 何 界 面 的 散 射 而 减 弱 , 从 而 降 低 材 料 的 导 热 能 力 。颗 粒 数 量 和 粒 度 决 定 散 射 面 积 的 大 小 , 高 硅 铝 合 金 材 料 中 硅 相颗 粒 数 量 越 多 , 粒 度 越 细 , 则 提 供 的 散 射 面 积 越 大 , 对 材 料 导
17、热性 能 的 降 低 也 愈 显 著 同 时 , 相 同 数 量 的 颗 粒 在 基 体 中 的 分 布 不同 时 , 颗 粒 和 基 体 形 成 的 几 何 界 面 对 导 热 方 向 上 的 声 子 和 自 由电 子 的 散 射 效 应 分 布 愈 不 均 匀 , 颗 粒 形 态 对 称 性 愈 差 , 其 散 射 效应 就 愈 会 偏 离 这 个 标 准 , 这 种 偏 离 可 正 可 负 , 由 此 对 材 料 的 热 导材 料 导 报 年 月 第 卷 第 期率 产 生 影 响 。另 外 , 由 图 可 知 , 不 同 硅 含 量 下 实 际 热 导 率 值 均 低 于 理 论值 ,
18、这 是 由 于 上 述 模 型 的 导 出 条 件 为 圆 球 形 或 规 则 颗 粒 在 金 属基 体 中 分 布 均 匀 , 复 合 材 料 完 全 致 密 , 理 想 界 面 结 合 , 而 且 代 人理 论 模 型 中 的 数 值 均 为 各 组 元 纯 单 质 状 态 下 的 性 能 值 。 但 实 际情 况 中 , 这 些 条 件 很 难 或 者 说 几 乎 不 可 能 达 到 材 料 中 硅 颗 粒 为不 规 则 的 多 面 体 , 其 比 表 面 积 更 大 硅 颗 粒 在 基 体 中 的 分 布 带 有不 可 避 免 的 不 均 匀 性 硅 粉 和 铝 粉 总 会 含 有 各
19、 种 杂 质 界 面 热 阻的 存 在 以 及 材 料 内 部 孔 洞 等 缺 陷 的 存 在 等 诸 多 因 素 , 最 终 都 会影 响 到 材 料 的 热 导 性 能 。热 膨 胀 系 数纯 铝 的 热 膨 胀 系 数 高 达 又 一 , 而 纯 硅 的 热 膨 胀系 数 仅 为 一 。 , 因 此 高 硅 铝 合 金 材 料 的 低 热 膨胀 性 主 要 是 硅 的 贡 献 。 研 究 表 明 , 快 速 凝 固 高 硅 铝 合 金 的 热 膨 胀系 数 与 合 金 中 硅 相 体 积 分 数 之 间 符 合 混 合 规 则 , 即 合 金 热 膨 胀系 数 随 硅 含 量 的 增 加
20、 或 硅 相 体 积 分 数 增 加 呈 线 性 下 降 趋 势 。盯 模 型 很 好 地 反 映 了 这 一 规 律 。外 , , 气 朋 。, 户 阴 。式 中 。 、 。 、 。 分 别 表 示 第 二 相 热 膨 胀 系 数 、 体 积 分 数 和 体 弹性 模 量 。 、 。 、 。 分 别 表 示 基 体 热 膨 胀 系 数 、 体 积 分 数 和 体 弹性 模 量 。、 吧。膨 胀 系 数 减 小 。在 铝 硅 合 金 材 料 中 , 硅 相 颗 粒 的 形 状 、 含 量 、 延 性 相 是 否 连续 分 布 、 界 面 结 合 情 况 、 残 余 应 力 、 孔 洞 等 都
21、会 影 响 到 材 料 的 热膨 胀 系 数 。图 中 的 实 测 热 膨 胀 系 数 与 理 论 计 算 值 之 间 存 在 的 差 别 在于 理 论 模 型 没 有 考 虑 材 料 制 备 过 程 中 粉 末 的 形 状 、 粒 度 、 第 二相 颗 粒 不 可 避 免 的 不 均 匀 分 布 、 孔 隙 以 及 应 力 对 热 膨 胀 性 能 的影 响 。 虽 然 实 验 值 低 于 理 论 值 , 对 材 料 的 应 用 有 利 , 但 这 是 以 牺牲 热 导 性 能 为 代 价 的 。抗 拉 强 度材 料 抗 拉 强 度 的 测 试 结 果 列 于 表 中 , 从 表 中 数 据
22、可 知 ,卜 。 硅 的 抗 拉 强 度 明 显 低 于 卜 的 抗 拉 强 度 。 根 据 强 度 关系 式 可 知 困。 五 澎 一 一 关 一 式 中 为 合 金 的 强 度 、 、 分 别 表 示 硅 颗 粒 体 积 分 数 与 平 均 直径 。从 公 式 可 知 , 在 其 它 条 件 相 同 的 情 况 下 , 材 料 强 度 应 随合 金 中 第 二 相 体 积 分 数 的 增 加 而 增 大 , 但 对 于 本 实 验 的 结 果 而言 , 硅 含 量 高 , 强 度 反 而 低 , 这 主 要 有 以 下 两 方 面 的 原 因 由 于在 铝 硅 合 金 中 , 第 二 相
23、粒 子 为 初 晶 硅 相 , 而 初 晶 硅 相 为 脆 性 相 , “容 易 成 为 材 料 在 变 形 过 程 中 的 裂 纹 源 , 因 此 , 当 硅 含 量 超 过 一 定量 时 , 合 金 材 料 的 强 度 反 而 会 随 硅 含 量 的 增 加 而 下 降 另 外 , 随硅 含 量 的 增 加 , 硅 相 更 加 粗 大 , 使 得 材 料 中 孔 隙 增 多 , 而 在 孔 隙处 一 般 存 在 着 应 力 集 中 , 适 于 微 裂 纹 的 形 成 与 长 大 , 导 致 含 硅 量高 的 材 料 容 易 发 生 断 裂 , 使 合 金 强 度 降 低 。 随 着 合 金
24、 中 硅 含 量 一的 增 加 , 粉 末 变 形 抗 力 增 大 , 在 相 同 挤 压 条 件 下 所 得 密 度 相 应 降低 , 而 且 产 生 裂 纹 的 可 能 性 也 明 显 加 大 。表 高 硅 铝 合 金 材 料 的 抗 拉 强 度霓、已。闷卜编 号 抗 拉强 度图 热 膨 胀 系 数 随 硅 含 量 的 变 化图 为 高 硅 铝 合 金 材 料 热 膨 胀 系 数 随 硅 含 量 变 化 的 规 律 ,由 图 可 见 , 材 料 的 热 膨 胀 系 数 随 硅 含 量 的 增 加 而 下 降 。 这 主 要 有以 下 几 方 面 原 因 。首 先 , 由 复 合 材 料 性
25、 能 加 合 规 律 可 知 , 大 量 低 膨 胀 硅 相 的 加入 能 有 效 抑 制 基 体 的 膨 胀 , 硅 相 的 体 积 分 数 很 大 程 度 上 决 定 了高 硅 铝 合 金 材 料 的 热 膨 胀 系 数 。其 次 , 延 性 相 是 否 连 续 分 布 是 影 响 热 膨 胀 系 数 的 一 个 重 要因 素 。 因 为 随 着 温 度 的 升 高 , 延 性 相 和 脆 性 相 都 会 发 生 膨 胀 , 但延 性 相 的 热 膨 胀 系 数 一 般 比 较 大 , 且 更 容 易 发 生 塑 性 变 形 。 当 延性 相 属 于 不 连 续 相 时 , 其 形 变 会
26、 受 到 周 围 热 膨 胀 系 数 很 小 的 脆性 硅 相 颗 粒 的 约 束 , 当 延 性 相 连 续 分 布 时 , 这 种 约 束 就 会 很 小 。由 于 硅 含 量 的 增 加 , 使 得 材 料 的 延 性 相 铝 相 减 少 , 且 被 富 集 的 硅相 阻 断 , 如 图 所 示 , 从 而 使 材 料 热 膨 胀 系 数 下 降 。另 外 , 残 余 热 应 力 能 显 著 影 响 材 料 的 热 膨 胀 系 数 。 热 膨 胀 使材 料 内 部 产 生 复 杂 的 应 力 , 反 过 来 这 些 复 杂 的 应 力 分 布 又 将 约束 和 抑 制 材 料 的 进 一
27、 步 膨 胀 , 并 有 可 能 使 材 料 发 生 一 定 的 弹 塑性 变 形 。 当 硅 含 量 增 加 时 , 由 于 硅 相 的 硬 脆 性 , 使 材 料 在 挤 压 时变 形 抗 力 增 加 , 从 而 导 致 材 料 内 含 有 大 量 的 微 应 力 , 使 材 料 的 热一 合 金 的 机 械 性 能 与 硅 的 形 态 和 分 布 紧 密 相 关 , 在 硅 含量 簇 较 低 时 , 通 过 快 速 凝 固 等 方 法 所 制 备 出 的 初 晶 硅 , 由于 其 组 织 细 小 , 分 布 均 匀 、 弥 散 , 使 硅 相 可 作 为 弥 散 分 布 的 第 二相 ,
28、 从 而 大 大 增 加 合 金 的 基 体 强 度 。 而 在 硅 含 量 超 过 时 , 由于 硅 相 的 增 多 及 粗 化 , 从 而 使 铝 硅 合 金 中 起 主 要 作 用 的 细 晶 强化 及 第 二 相 强 化 机 制 作 用 下 降 , 材 料 的 力 学 性 能 下 降 。 在 引 用 此公 式 的 资 料 中 , 很 少 有 研 究 硅 含 量 超 过 的 , 因 此 , 有 理 由 相信 , 此 公 式 不 适 合 于 硅 含 量 很 高 的 一 合 金 体 系 。结 论利 用 粉 末 冶 金 热 挤 压 技 术 所 制 备 的 高 硅 铝 合 金 材 料 , 随合
29、金 中 硅 含 量 的 增 加 , 经 热 挤 压 后 的 硅 相 尺 寸 也 相 对 要 粗 大 一些 。随 材 料 中 硅 相 含 量 的 增 加 , 材 料 的 热 导 率 呈 下 降 趋 势 ,热 导 性 能 下 降 幅 度 会 随 硅 含 量 的 增 加 而 加 大 , 且 实 测 热 导 率 低于 模 型 计 算 的 理 论 值 。随 合 金 中 硅 含 量 的 增 加 , 材 料 的 热 膨 胀 系 数 及 抗 拉 强 度下 降 。下 转 第 页材 料 导 报 年 月 第 卷 第 期率 产 生 影 响 。另 外 , 由 图 可 知 , 不 同 硅 含 量 下 实 际 热 导 率
30、值 均 低 于 理 论值 , 这 是 由 于 上 述 模 型 的 导 出 条 件 为 圆 球 形 或 规 则 颗 粒 在 金 属基 体 中 分 布 均 匀 , 复 合 材 料 完 全 致 密 , 理 想 界 面 结 合 , 而 且 代 人理 论 模 型 中 的 数 值 均 为 各 组 元 纯 单 质 状 态 下 的 性 能 值 。 但 实 际情 况 中 , 这 些 条 件 很 难 或 者 说 几 乎 不 可 能 达 到 材 料 中 硅 颗 粒 为不 规 则 的 多 面 体 , 其 比 表 面 积 更 大 硅 颗 粒 在 基 体 中 的 分 布 带 有不 可 避 免 的 不 均 匀 性 硅 粉
31、和 铝 粉 总 会 含 有 各 种 杂 质 界 面 热 阻的 存 在 以 及 材 料 内 部 孔 洞 等 缺 陷 的 存 在 等 诸 多 因 素 , 最 终 都 会影 响 到 材 料 的 热 导 性 能 。热 膨 胀 系 数纯 铝 的 热 膨 胀 系 数 高 达 又 一 , 而 纯 硅 的 热 膨 胀系 数 仅 为 一 。 , 因 此 高 硅 铝 合 金 材 料 的 低 热 膨胀 性 主 要 是 硅 的 贡 献 。 研 究 表 明 , 快 速 凝 固 高 硅 铝 合 金 的 热 膨 胀系 数 与 合 金 中 硅 相 体 积 分 数 之 间 符 合 混 合 规 则 , 即 合 金 热 膨 胀系
32、数 随 硅 含 量 的 增 加 或 硅 相 体 积 分 数 增 加 呈 线 性 下 降 趋 势 。盯 模 型 很 好 地 反 映 了 这 一 规 律 。外 , , 气 朋 。, 户 阴 。式 中 。 、 。 、 。 分 别 表 示 第 二 相 热 膨 胀 系 数 、 体 积 分 数 和 体 弹性 模 量 。 、 。 、 。 分 别 表 示 基 体 热 膨 胀 系 数 、 体 积 分 数 和 体 弹性 模 量 。、 吧。膨 胀 系 数 减 小 。在 铝 硅 合 金 材 料 中 , 硅 相 颗 粒 的 形 状 、 含 量 、 延 性 相 是 否 连续 分 布 、 界 面 结 合 情 况 、 残 余
33、 应 力 、 孔 洞 等 都 会 影 响 到 材 料 的 热膨 胀 系 数 。图 中 的 实 测 热 膨 胀 系 数 与 理 论 计 算 值 之 间 存 在 的 差 别 在于 理 论 模 型 没 有 考 虑 材 料 制 备 过 程 中 粉 末 的 形 状 、 粒 度 、 第 二相 颗 粒 不 可 避 免 的 不 均 匀 分 布 、 孔 隙 以 及 应 力 对 热 膨 胀 性 能 的影 响 。 虽 然 实 验 值 低 于 理 论 值 , 对 材 料 的 应 用 有 利 , 但 这 是 以 牺牲 热 导 性 能 为 代 价 的 。抗 拉 强 度材 料 抗 拉 强 度 的 测 试 结 果 列 于 表
34、 中 , 从 表 中 数 据 可 知 ,卜 。 硅 的 抗 拉 强 度 明 显 低 于 卜 的 抗 拉 强 度 。 根 据 强 度 关系 式 可 知 困。 五 澎 一 一 关 一 式 中 为 合 金 的 强 度 、 、 分 别 表 示 硅 颗 粒 体 积 分 数 与 平 均 直径 。从 公 式 可 知 , 在 其 它 条 件 相 同 的 情 况 下 , 材 料 强 度 应 随合 金 中 第 二 相 体 积 分 数 的 增 加 而 增 大 , 但 对 于 本 实 验 的 结 果 而言 , 硅 含 量 高 , 强 度 反 而 低 , 这 主 要 有 以 下 两 方 面 的 原 因 由 于在 铝 硅
35、 合 金 中 , 第 二 相 粒 子 为 初 晶 硅 相 , 而 初 晶 硅 相 为 脆 性 相 , “容 易 成 为 材 料 在 变 形 过 程 中 的 裂 纹 源 , 因 此 , 当 硅 含 量 超 过 一 定量 时 , 合 金 材 料 的 强 度 反 而 会 随 硅 含 量 的 增 加 而 下 降 另 外 , 随硅 含 量 的 增 加 , 硅 相 更 加 粗 大 , 使 得 材 料 中 孔 隙 增 多 , 而 在 孔 隙处 一 般 存 在 着 应 力 集 中 , 适 于 微 裂 纹 的 形 成 与 长 大 , 导 致 含 硅 量高 的 材 料 容 易 发 生 断 裂 , 使 合 金 强
36、度 降 低 。 随 着 合 金 中 硅 含 量 一的 增 加 , 粉 末 变 形 抗 力 增 大 , 在 相 同 挤 压 条 件 下 所 得 密 度 相 应 降低 , 而 且 产 生 裂 纹 的 可 能 性 也 明 显 加 大 。表 高 硅 铝 合 金 材 料 的 抗 拉 强 度霓、已。闷卜编 号 抗 拉强 度图 热 膨 胀 系 数 随 硅 含 量 的 变 化图 为 高 硅 铝 合 金 材 料 热 膨 胀 系 数 随 硅 含 量 变 化 的 规 律 ,由 图 可 见 , 材 料 的 热 膨 胀 系 数 随 硅 含 量 的 增 加 而 下 降 。 这 主 要 有以 下 几 方 面 原 因 。首
37、先 , 由 复 合 材 料 性 能 加 合 规 律 可 知 , 大 量 低 膨 胀 硅 相 的 加入 能 有 效 抑 制 基 体 的 膨 胀 , 硅 相 的 体 积 分 数 很 大 程 度 上 决 定 了高 硅 铝 合 金 材 料 的 热 膨 胀 系 数 。其 次 , 延 性 相 是 否 连 续 分 布 是 影 响 热 膨 胀 系 数 的 一 个 重 要因 素 。 因 为 随 着 温 度 的 升 高 , 延 性 相 和 脆 性 相 都 会 发 生 膨 胀 , 但延 性 相 的 热 膨 胀 系 数 一 般 比 较 大 , 且 更 容 易 发 生 塑 性 变 形 。 当 延性 相 属 于 不 连
38、续 相 时 , 其 形 变 会 受 到 周 围 热 膨 胀 系 数 很 小 的 脆性 硅 相 颗 粒 的 约 束 , 当 延 性 相 连 续 分 布 时 , 这 种 约 束 就 会 很 小 。由 于 硅 含 量 的 增 加 , 使 得 材 料 的 延 性 相 铝 相 减 少 , 且 被 富 集 的 硅相 阻 断 , 如 图 所 示 , 从 而 使 材 料 热 膨 胀 系 数 下 降 。另 外 , 残 余 热 应 力 能 显 著 影 响 材 料 的 热 膨 胀 系 数 。 热 膨 胀 使材 料 内 部 产 生 复 杂 的 应 力 , 反 过 来 这 些 复 杂 的 应 力 分 布 又 将 约束
39、和 抑 制 材 料 的 进 一 步 膨 胀 , 并 有 可 能 使 材 料 发 生 一 定 的 弹 塑性 变 形 。 当 硅 含 量 增 加 时 , 由 于 硅 相 的 硬 脆 性 , 使 材 料 在 挤 压 时变 形 抗 力 增 加 , 从 而 导 致 材 料 内 含 有 大 量 的 微 应 力 , 使 材 料 的 热一 合 金 的 机 械 性 能 与 硅 的 形 态 和 分 布 紧 密 相 关 , 在 硅 含量 簇 较 低 时 , 通 过 快 速 凝 固 等 方 法 所 制 备 出 的 初 晶 硅 , 由于 其 组 织 细 小 , 分 布 均 匀 、 弥 散 , 使 硅 相 可 作 为 弥
40、 散 分 布 的 第 二相 , 从 而 大 大 增 加 合 金 的 基 体 强 度 。 而 在 硅 含 量 超 过 时 , 由于 硅 相 的 增 多 及 粗 化 , 从 而 使 铝 硅 合 金 中 起 主 要 作 用 的 细 晶 强化 及 第 二 相 强 化 机 制 作 用 下 降 , 材 料 的 力 学 性 能 下 降 。 在 引 用 此公 式 的 资 料 中 , 很 少 有 研 究 硅 含 量 超 过 的 , 因 此 , 有 理 由 相信 , 此 公 式 不 适 合 于 硅 含 量 很 高 的 一 合 金 体 系 。结 论利 用 粉 末 冶 金 热 挤 压 技 术 所 制 备 的 高 硅 铝 合 金 材 料 , 随合 金 中 硅 含 量 的 增 加 , 经 热 挤 压 后 的 硅 相 尺 寸 也 相 对 要 粗 大 一些 。随 材 料 中 硅 相 含 量 的 增 加 , 材 料 的 热 导 率 呈 下 降 趋 势 ,热 导 性 能 下 降 幅 度 会 随 硅 含 量 的 增 加 而 加 大 , 且 实 测 热 导 率 低于 模 型 计 算 的 理 论 值 。随 合 金 中 硅 含 量 的 增 加 , 材 料 的 热 膨 胀 系 数 及 抗 拉 强 度下 降 。下 转 第 页
