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1、中国航空学会 2007 年学术年会 材料专题 39 轻质、低膨胀 Sip/Al 复合材料性能研究 修子扬 姜龙涛 武高辉 哈尔滨工业大学金属复合材料与工程研究所 哈尔滨 150001 摘要摘要 本文以航空用仪表材料为应用背景，开发了低膨胀、高导热、低密度可再生型Sip/Al复合材料，其增强体为10mu高纯Si粉、基体采用LD11 铝合金，体积分数为 70%。由于Sip/Al复合材料具有轻质、低膨胀、高导热、易加工和可回收再利用等特性而在航空仪表上有着广泛的应用前景。本研究对Sip/Al复合材料的微观组织、热膨胀性能、导热性能和密度等性能进行了研究，试验结果表明：Si颗粒呈现尖角形不规则形状，均
2、匀弥散的分布在铝合金中，没有明显的团聚和偏聚；复合材料组织致密，没有气孔、夹杂等缺陷。材料均匀致密的组织不但能提高复合材料的热导率还能提高材料的强度和弹性模量，有利于提高材料的尺寸稳定性，从而增加材料的使用寿命；大量的观察表明，Si-Al界面干净、平滑，洁净的界面对于复合材料的物理性能是有利的。随着温度的升高，Sip/Al复合材料的热膨胀系数也呈现增加的趋势，复合材料 2050的平均热膨胀系数为 7.610-6/，很好的满足航空仪表材料的使用要求。导热性能是航空仪表材料的一个重要的考察指标，Sip/Al导热率可达 160 W/(m)，能够迅速而有效的将仪表上产生的热量迅速的传出，而保护了仪表使
3、用的可靠性。Sip/Al复合材料有着较高的强度、比模量和较低的密度，弯曲强度和弹性模量分别达到 293.9 MPa和 121.1GPa，比强度和比模量分别为 122.46MPpacm3/g和 49.65 GPacm3/g。由于复合材料的密度较低，仅为 2.4g/m3，导致其比模量较高。对于常用的金属材料Cu和Kovar合金，其比模量分别只有 13.1 和 18.5Gpacm3/g，仅仅为本文材料的 1/4 和 1/3，较高的比强度和比模量有利于降低器件的质量，对于航空仪表器件的减重具有很大的意义。关键词关键词 Si/Al 复合材料 仪表材料 热膨胀 热导率 材料是一切工业之母，而先进复合材料是
4、近代材料工业的主流，航空、航天用的先进复合材料又起着应用领域中的先驱及主导作用1。长期以来，铝、镁、铜、钛等合金一直是航空产品的重要结构材料，但是目前，单一金属材料已经很难满足日益发展的航空技术对材料的需求2。而颗粒增强铝基复合材料具有热膨胀系数（CTE）低且可调、导热性好、密度小等优点，在航空领域得到了广泛的应用4-6。最新发展起来的Si颗粒增强铝基复合材料，更是因为具有较低的热膨胀系数(7.610-6/)、较高的导热率(100180W/(m)、较低的密度(2.4g/cm3)、优异的加工性能和可回收再利用特性而受到了广大研究者的青睐，在航空仪表材料中有着广泛的应用前景7-13。因此本研究选用
5、平均粒径为 10um 的高纯 Si 粉为增强体，以 LD11 铝合金为基体，采用专利技术制备了体积分数为 70%Sip/Al 复合材料，研究了其微观组织特征、热膨胀性能、导热等性能，并与现行的材料进行了比较。1 材料与试验方法 增强体选择平均粒径为 10 um 的高纯 Si 颗粒。基体选用 LD11 铝合金，其主要化学成分(质量分数/%)为：12%Si,0.5%1.3%Cu,0.8%1.3%Mg,1.0%Fe,0.5%1.3%Ni,其余为 Al。Sip/Al 复合材料采用专利压力浸渗技术制备。复合材料进行退火处理，工艺如下：410 保温 3 h 后炉冷。使用OLYMPUS PME3 照相机拍摄
6、金相照片，以观察复合材料的光学显微组织；利用 PhilipsCM-12 透射1 中国航空学会 2007 年学术年会 材料专题 39 电镜(TEM)进一步观察与分析高体积分数复合材料微观组织，加速电压分别为 100kV120Kv;试验材料的热膨胀系数采用德国 NETZSCH 公司的 DIL 402 型膨胀测试仪测定，考察温度范围为 20490,试样尺寸625mm，升温速率为 5/min,氦气保护。热导率测试是在德国 NETZSCH 公司生产的TCT 416 型热导率测试仪上进行的，测试温度范围为 2060，力学性能采用三点弯曲试验测试，跨距为 30 mm，设备为 Instron5569 万能电子
7、拉伸试验机。2 试验结果与讨论 2.1 微观组织 图 1 为 Sip/Al 复合材料金相显微组织照片，从图中可以看出：Si 颗粒呈现尖角形不规则形状，均匀弥散的分布在铝合金中，没有明显的团聚和偏聚；复合材料组织致密，没有气孔、夹杂等缺陷。材料均匀致密的组织不但能提高复合材料的热导率还能提高材料的强度和弹性模量，有利于提高材料的尺寸稳定性，从而增加材料的使用寿命。界面及界面效应的存在是影响复合材料性能发挥的重要因素。图 2 为 Sip/Al 复合材界面 TEM照片。大量的观察表明，Si-Al 界面干净、平滑。一般认为在界面附近发生以下反应8：20um图 1 Sip/Al 复合材料金相显微组织照片
8、 4Al(l)+Al2O3(s)=3Al2O(g)(1)4Al(l)+3SiO2(s)=2Al2O3(s)+3Si(s)(2)氧化铝薄膜的破裂和界面反应的发生，改善了 Si/Al 界面的结合情况，降低了界面热阻，这对材 2 中国航空学会 2007 年学术年会 材料专题 39 料的热物理性能和力学性能是有利的。2.2 热膨胀性能 图 3 给出了 Sip/Al 复合材料热膨胀系数随温度升高而变化的曲线，可以看出，随着温度的升高，复合材料的热膨胀系数也呈现增加的趋势。对复合材料而言，其热膨胀系数主要取决于基体合金的热膨胀系数和增强体通过基体-增强体界面对基体合金的制约程度。一方面，由于铝合金的热膨胀
9、系 数随温度提高而增大，导致复合材料的热膨胀系数也随温度提高而增大。另一方面，随着温度的提高，复合材料中增强体-基体界面传载能力下降，增强体对基体合金膨胀的制约能力降低，也导致复合材料热膨胀系数随温度提高而增大。作为航空仪表材料，要求材料具有较低的热膨胀系数，以保证复合材料与仪表线圈等热膨胀的匹配性，从而增强航空仪表的可靠性。颗粒增强铝基复合材料的最大优点是性能的可调性，Si/Al复合材料可以根据用户的需求，通过改变增强体含量的多少而调整复合材料的热膨胀系数。图 4 给出了几种常用材料热膨胀系数，其中 70体积分数的Sip/LD11 复合材料 20100热膨胀系数低于7.610-6/，很好的满
10、足航空仪表材料的使用要求8。01002003004005007.07.58.08.59.09.510.010.511.0 temperature,CTE 10-6K-1 10um Vf=70ip/Al图 3 Sip/Al 复合材料热膨胀系数随温度变化曲线 图 4 几种材料热膨胀系数比较 05101520CTE，10-6k-1 Al Mg Cu Steel SiCp/6061(55/45)Ti W/Cu(75/25)Si/Al Kovar图 2 为 Sip/Al 复合材界面 TEM 照片 0.5um0.5um3 中国航空学会 2007 年学术年会 材料专题 39 图 5 几种航空常用材料导热率对
11、比 050100150200250300350400导热率，W/m Cu Al SiCp/6061(55/45)W/Cu(75/25)Mg Sip/Al Steel Ti Kovar 2.3 导热性能 飞机上的仪表设备，常常因为千百个元件中一个的损坏而造成整体功能失效，从而造成重大人员伤亡和财务损失。元件损坏很多是由于发热温升致使工作异常造成的，为缓解这个问题可以采用目前的水冷或风冷的办法，但会带来机构复杂、体积、重量增加以及所引发的故障率增加等一系列问题。最佳方案是采用高导热性的基片材料。其中，Al2O3陶瓷是目前应用最成熟的陶瓷基片材料，价格低廉，耐热冲击性、电绝缘性都比较好，制作和加工技
12、术成熟，因而使用最广泛，占陶瓷基片的 90%。但是，Al2O3陶瓷导热率相对较低，限制了它的应用。AlN陶瓷是一种新型的基片材料，具有优异的电性能和热性能，被认为是最有发展前途的高导热陶瓷基片。但是，AlN陶瓷的制备工艺复杂，成本高，故至今仍未能进行大规模的生产和应用。BeO陶瓷具有较高的导热率，但是其毒性和较高的生产成本，限制了其在生产和应用中的推广。玻璃基片材料的导热率较低，不能用于大功率电子器件。金属材料中，铝的导热率很高、重量轻、价格低、容易加工，是最常用的基片材料。但铝的热膨胀系数(CTE)与Si(4.110-6/)和GaAs(5.810-6/)相差较大，器件工作时的热循环常常 图
13、6 几种航空常用材料密度对比 02468101214密度,g/cm-3 W/Cu(75/25)Cu Kovar steel Ti SiCp/6061(55/45)Al Sip/Al Mg 会产生较大的应力，导致失效。铜材也存在类似的问题。Invar(镍铁合金)和 Kovar(铁镍钴合金)系列 4 中国航空学会 2007 年学术年会 材料专题 39 合金具有非常低的热膨胀系数和良好的焊接性，但是电阻却很大，只能作为小功率整流器的散热和连接材料。W、Mo具有与Si相近的热膨胀系数，且导热性比Kovar合金好的多，故常用于半导体Si片的支撑材料。但由于W、Mo与Si的浸润性不好、可焊性差，常需要在表
14、面镀或涂覆特殊的Ag基合金或Ni，使工艺变得复杂且可靠性差，提高了成本，增加了污染。另外，W、Mo、Cu密度较大，不适合作航空、航天材料；而且W、Mo价格昂贵，生产成本高，也影响了其推广使用最新发展起来的采用挤压铸造方法制备的Si/Al复合材料由于其高导热、低密度、易加工，高致密度等优点而受到了广大研究者的重视。本文列出几种常用航空电子基片材料导热率对比，从图 3 中可以看出，Mg为155W/m，SiCP/6061(55/45)为 160W/m，W/Cu(75/25)为 157W/m，Kovar为 17W/m，Ti为21.6W/m，本文所研究的Sip/Al复合材料导热率为 160W/m，能够很
15、好满足航天器上导热性能要求。2.4 低密度 航空仪表器件的发展趋势之一是减重量和尺寸,实现其小型化与轻型化。而轻型材料是航空仪表器件轻量化的关键技术,是其小型化的重要保证条件，低密度材料的应用可以大大减轻航空仪表的重量,提高其性能。本文中的Sip/Al复合材料的密度 2.4 g/cm3，在航空材料的应用中还是具有一定的优势的。2.5 良好的机械性能 Sip/Al复合材料的力学性能如表 2 所示（复合材料体积分数为 70，增强体平均粒径 10um），弯曲强度和弹性模量分别达到 285.7 和 293.9Mpa，比强度和比模量分别为122.46MPpacm3/g和 49.65 GPacm3/g。由
16、于复合材料的密度较低，仅为 2.4g/m3，导致其比模量较高。对于常用的金属基片材料Cu和Kovar合金，其比模量分别只有 13.1 和 18.5Gpacm3/g，仅仅为本文材料的 1/4 和 1/3。表 1 Sip/Al 复合材料的力学性能 材料 状态 硬度(HB)弯曲强度(MPa)比强度(MPpacm3/g)弹性模量(GPa)比模量(GPacm3/g)Sip/Al Annealing 285.7 293.9 122.46 121.1 49.65 图7 Sip/Al复合材料器件 2.6 应用研究 5 中国航空学会 2007 年学术年会 材料专题 39 传统的陶瓷材料以及 SiC/Al 复合材
17、料使用普通刀具很难进行加工，尽管其拥有很好的力学及物理性能，但还是难以广泛应用，Sip/Al 复合材料使用普通刀具就可以进行常规的车铣磨等机械加工，而且能够达到比较高的精度。图7为采用Sip/Al复合材料机械加工的某器件，其中底板之一的尺寸为10mm10mm0.7 mm。可以看出Sip/Al复合材料的机械加工性能很好，可进行电火花和车、铣、磨等机械加工。3 结论 本文以航空领域为应用背景，对比了几种航空常用材料的热膨胀性能、导热性能、密度和机械性能，认为：1.复合材料组织致密，没有气孔、夹杂等缺陷。Si-Al 界面干净、平滑。2.随着温度的升高，Sip/Al复合材料的热膨胀系数也呈现增加的趋势
18、，其 2050的平均热膨胀系数为 7.610-6/，很好的满足航空仪表材料的使用要求；3.本文所研究的 Sip/Al 复合材料导热率为 160W/m，能够很好满足航天器上导热性能要求。4.Sip/Al复合材料有着较高的强度、比模量和较低的密度，弯曲强度和弹性模量分别达到293.9Mpa和 121.1GPa，比强度和比模量分别为 122.46MPpacm3/g和 49.65 GPacm3/g。较高的比强度和比模量有利于降低器件的质量，对于航空仪表器件的减重具有很大的意义。参考文献 参考文献 1 ZHANG Qiang WU Gao-hui CHEN Guo-qing.Microstructure
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26、ermal Conductivity of Composites with Interfacial Thermal Barrier ResistanceJ.Journal of Composites,1987,Vol.21,No.6,p.508515 作者简介：作者简介：修子扬，（1975），男，民族：汉；籍贯：辽宁省凌源市；博士生，主要从事金属基复合材料设计、制备与性能分析等研究，E-mail：;哈尔滨工业大学 433 信箱(150001);Tel:0451-86402373-5056 7 轻质、低膨胀Sip/Al复合材料性能研究轻质、低膨胀Sip/Al复合材料性能研究作者：修子扬，姜龙涛，武高辉作者单位：哈尔滨工业大学金属复合材料与工程研究所,哈尔滨,150001 本文链接：http:/