專利名稱：一種制備高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料研究領(lǐng)域，特別提供了一種采用注射成形-無(wú)壓浸滲工藝制備 高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料(SiCp/Cu)的方法。這種近凈成形技術(shù)能制備高性能、 形狀復(fù)雜的銅基復(fù)合材料零件。
技術(shù)背景高體積分?jǐn)?shù)(50 70。/。)SiCp/Cu能綜合Cu和SiC各自的優(yōu)點(diǎn)，具有密度適中、熱導(dǎo)率高、 CTE低、耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)。SiCp/Cu的CET可降到8.(M2.5x10—6k'1 ，熱導(dǎo)率高達(dá) 250~325W/nrK，而且焊接性比SiCp/Al好，與CuAg基釬料具有很好的相容性。因此，SiCp/Cu 是一種潛在的電子封裝材料，可用作基板材料、熱交換器及多層微片芯支架的散熱-冷卻板材 料。利用SiC良好的承載能力和復(fù)合材料的高電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、高溫強(qiáng)度和優(yōu)良的抗氧化性， SiCp/Cu復(fù)合材料還能用于高溫摩擦磨損領(lǐng)域。國(guó)際上對(duì)高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Cu復(fù)合材料的研究始于1996年，我國(guó)在此領(lǐng)域仍處于起步階 段。目前SiCp/Cu的制備存在的問(wèn)題是SiC與Cu基體不潤(rùn)濕，陶瓷顆粒很難均勻地分布在金屬 基體中，并且在高溫下會(huì)發(fā)生界面反應(yīng)。目前，SiCp/Cu的制備主要有固相法(包覆粉末熱壓法) 和液相法(擠壓鑄造法)兩大類。不管是采用液相法(擠壓鑄造)還是固相法(熱壓)來(lái)制備 SiCp/Cu，都不可避免的要施加外界壓力，這嚴(yán)重影響了可直接制備零件形狀的復(fù)雜性。潤(rùn)濕 性差導(dǎo)致的界面結(jié)合差使得提高材料的致密度難度增大，而致密度低將大大降低材料的綜合 性能。因此，研究SiCp/Cu的關(guān)鍵是采用合適的工藝改善SiC和Cu的潤(rùn)濕性、控制界面反應(yīng)、 優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)、提高致密度和熱導(dǎo)率。包覆粉末熱壓法要重點(diǎn)解決增強(qiáng)相與Cu的界面結(jié)合差 及增強(qiáng)相均勻分散的問(wèn)題，常用的方法是是采用化學(xué)鍍等方法將Cu包裹在SiC顆粒表面，然 后進(jìn)行熱壓燒結(jié)。包覆法能在低于一定的增強(qiáng)相含量時(shí)起到改善界面結(jié)構(gòu)、提高致密度和綜 合性能的作用。但是，當(dāng)SiC含量高于50體積％左右時(shí)，增強(qiáng)相仍然容易發(fā)生團(tuán)聚，導(dǎo)致材 料很難致密化，孔隙度大、性能大幅度下降。因此不適合制備更高體積分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料。擠 壓鑄造法是將SiC增強(qiáng)相做成預(yù)制件后，在壓力的作用下將熔化的銅滲入預(yù)制件中。缺點(diǎn)是樣 品中會(huì)殘留部分氣體，零件的形狀復(fù)雜性受到限制，且加壓過(guò)程中預(yù)制坯容易被破壞，而且 對(duì)模具的要求較高。粉末注射成形是將混合粉末與有機(jī)粘結(jié)劑均勻混合并制成粒狀喂料，在加熱狀態(tài)下用注 射成形機(jī)將其注入模腔內(nèi)冷凝成形，然后用化學(xué)溶解或熱分解的方法將成形坯中的粘結(jié)劑脫 除，最后經(jīng)預(yù)燒結(jié)而獲得浸漬用的坯體。無(wú)壓浸滲結(jié)合注射成形可解決制備復(fù)雜形狀零件的 難題。然后，由于SiC和Cu之間的潤(rùn)濕性差，無(wú)壓浸滲在該體系中很難實(shí)現(xiàn)，對(duì)其研究也
很少。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種制備高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)銅基(SiCp/Cu)復(fù)合材料零件的 方法。該方法能制備復(fù)雜形狀的壁薄的SiCp/Cu復(fù)合材料零件。一種制備高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的方法，采用注射成形-無(wú)壓浸滲工 藝，其特征在于a、 喂料制備。單一顆粒的喂料采用18pm、 24pm、 40nm、 63pm、 100pm的單一粒徑粉 末。雙顆粒粒徑的喂料是將60 130fim的SiC粗顆粒和6 18pm的SiC細(xì)顆粒(粒徑比大于 7: 1)按3: l的比例進(jìn)行混合。首先將SiC粉末與粘結(jié)劑在雙行星混煉機(jī)中于150 165'C、轉(zhuǎn) 速30 45rpm的條件下混煉30 60min制成均勻喂料。粘結(jié)劑成分重量百分比為50~70 %石 蠟、10~20%高密度聚乙烯、10 20%聚丙烯和5~10%硬脂酸。喂料中的SiC粉末占喂料體積 的57~68 %;b、 注射成形。在注射溫度為150~175°C，注射壓力為70MPa 125MPa條件下注射成形， 得到復(fù)雜形狀的SiC預(yù)成形坯；c、 預(yù)成形坯脫脂。注射坯體采用"溶脫+熱脫"兩步脫脂工藝進(jìn)行脫除粘結(jié)劑。先在三氯 乙烯或三氯乙垸等有機(jī)溶劑中于45 6(TC下浸泡3 6h進(jìn)行溶劑脫脂；干燥后，再在真空氣氛 或空氣中于600 1120。C進(jìn)行熱脫脂及預(yù)燒結(jié)時(shí)間為8~10h，得到多孔SiC骨架；d、 無(wú)壓浸滲。將浸滲用銅合金置于多孔SiC坯體上在真空爐中進(jìn)行無(wú)壓浸滲，銅合金的 重量百分比為3~8°/。Al、 l~3%Fe、 1~2 %Mn、 2~4°/。Ni,余量Cu。浸滲溫度為1400 1450°C， 保溫40 90min。從而得到致密的，組織均勻的SiCp/Cu復(fù)合材料。工藝流程中要根據(jù)實(shí)際的對(duì)熱物理性能的要求來(lái)選擇不同的SiC粉末進(jìn)行粒度搭配。因 為粉末粒度搭配對(duì)粉末的堆積密度、喂料粘度以及粉末裝載量都有重要的影響，最終將直接 影響到預(yù)成形坯中的增強(qiáng)相含量。通過(guò)設(shè)計(jì)SiC粉末的粒度搭配可以控制材料的熱物理性能。 銅合金中添加活性元素(Fe、 Ni、 Al和Cr)用以改善銅和SiC之間的潤(rùn)濕性。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是能夠制備形狀復(fù)雜的薄壁SiCp/Cu復(fù)合材料零部件，增強(qiáng)相的含量高達(dá) 61%，這是普通的壓制燒結(jié)工藝很難達(dá)到的。復(fù)合材料的致密度高，顯微組織中SiC顆粒的 分布均勻，孔隙度低。該工藝是一種近凈成形工藝，材料的利用率高、生產(chǎn)效率高，成本低 較低。此外，復(fù)合材料的熱物理性能容易通過(guò)SiC粉末粒徑、粒徑分布以及粉末裝載量等工 藝參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)，機(jī)動(dòng)靈活。


圖l為本發(fā)明的工藝流程圖
圖2為復(fù)雜形狀的電子封裝用零件 圖3為SiCp/Cu復(fù)合材料的顯微組織具體實(shí)施方式
實(shí)施例1:制備SiC體積分?jǐn)?shù)為57%的SiCp/Cu復(fù)合材料。采用粒度為24pm的SiC粉末與石蠟基粘結(jié)劑(65Q/。石蠟、15%高密度聚乙烯、15%聚丙烯 和5%硬脂酸)在雙輥擠壓機(jī)上進(jìn)行混煉，得到SiC粉末裝載量為57%的均勻的喂料；隨后在 粉末注射成形機(jī)上以140 16(TC的注射溫度、75~105MPa的注射壓力注射成形，得到所需形 狀的坯體。該坯體在三氯乙烯中進(jìn)行溶劑脫脂，然后在真空氣氛下緩慢升溫到45(TC脫出粘 結(jié)劑，接著以較快的速度升溫到IOOO'C預(yù)燒結(jié)1~2小時(shí)。最后在140(TC 145(TC于真空氣氛 下用銅合金(Cu-6A1)進(jìn)行無(wú)壓浸滲。所得SiCp/Cu復(fù)合材料的致密度為97.8%，增強(qiáng)相的含 量為57體積％，熱膨脹系數(shù)為8.35x10—^K—1，熱導(dǎo)率為121W/nvK。實(shí)施例2:制備SiC體積分?jǐn)?shù)為61%的SiCp/CU復(fù)合材料。采用粒度為63pm的SiC粉末與石蠟基粘結(jié)劑(65%石蠟、20%高密度聚乙烯、10 %聚丙 烯和5 %硬脂酸)以SiC粉末為61 %的裝載量的在雙輥擠壓機(jī)上混煉均勻后，將喂料在粉末注 射成形機(jī)上以150 175t:的注射溫度、75 125MPa的注射壓力注射得到坯體。該坯體該先在 三氯乙烯中溶劑脫脂，然后在真空氣氛下緩慢升溫到450'C脫出粘結(jié)劑，接著以較快的速度 升溫到800'C預(yù)燒結(jié)1 2小時(shí)。最后在141(TC 145(TC于真空氣氛下采用無(wú)壓浸滲將銅合金 (Cu-5Al-2Fe-lMn-2Ni)滲入多孔SiC預(yù)成形坯。所得SiCp/Cu復(fù)合材料的致密度為98.3%，增 強(qiáng)相的含量為61體積％，熱膨脹系數(shù)為7.9xl(T6『1，熱導(dǎo)率為142W/m-K。實(shí)施例3:制備SiC體積分?jǐn)?shù)為64%的SiCp/Cu復(fù)合材料。采用粒度為63pm和7|am兩種粒徑的SiC粉末以3:1的比例進(jìn)行搭配。首先將這兩種粉 末混合均勻，然后將混合粉末與石蠟基粘結(jié)劑(60%石蠟、20%高密度聚乙烯、10%聚丙烯和 10°/。硬脂酸)以SiC粉末為64%的裝載量在雙輥擠壓機(jī)上混煉均勻，隨后在粉末注射成形機(jī)上 以145 155'C的注射溫度、80~125MPa的壓力出所需形狀的坯體。該坯體經(jīng)過(guò)溶脫脫脂后在 空氣中于700'C預(yù)燒結(jié)。然后在1420'C 144(TC于真空氣氛下采用無(wú)壓浸滲將銅合金(Cu-4M) 滲入多孔SiC預(yù)成形坯。獲得的SiCp/Cu復(fù)合材料致密度為96.8%,增強(qiáng)相的含量為64體積 %，熱膨脹系數(shù)為7.2x1 (^K—1，熱導(dǎo)率為63W/m-K。實(shí)施例4:制備SiC體積分?jǐn)?shù)為67%的SiCp/Cii復(fù)合材料。采用粒度為100pm、 63nm和7^im三種粒徑的SiC粉末以3:2:1的比例進(jìn)行搭配。首先將 這三種粉末混合均勻。然后將混合粉末與石蠟基粘結(jié)劑(60%石蠟、15%高密度聚乙烯、15% 聚丙烯和10 %硬脂酸)以SiC粉末為67%的裝載量在雙輥擠壓機(jī)上混煉均勻，隨后在粉末注
射成形機(jī)上以125 135。C的注射溫度、80~110MPa的壓力出所需形狀的坯體。該坯體經(jīng)過(guò)溶 脫脫脂后在空氣中于90(TC預(yù)燒結(jié)。然后在143(TC于真空氣氛下采用無(wú)壓浸滲將銅合金 (Cu-2Al-2Ni)滲入多孔SiC預(yù)成形坯。獲得的SiCp/Cu復(fù)合材料致密度為97.8%,增強(qiáng)相的含 量為67體積％，熱膨脹系數(shù)為6.9x1 0-Sk—1，熱導(dǎo)率為75w/m-k。
權(quán)利要求
1、一種制備高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的方法，采用注射成形-無(wú)壓浸滲工藝，其特征在于a、喂料制備單一顆粒的喂料采用18μm、24μm、40μm、63μm、100μm的單一粒徑粉末；雙顆粒粒徑的喂料是將60～130μm的SiC粗顆粒和6～18μm的SiC細(xì)顆粒按3∶1的比例進(jìn)行混合；首先將SiC粉末與粘結(jié)劑在雙行星混煉機(jī)中于150～165℃、轉(zhuǎn)速30～45rpm的條件下混煉30～60min制成均勻喂料；粘結(jié)劑成分重量百分比為50～70％石蠟、10～20％高密度聚乙烯、10～20％聚丙烯和5～10％硬脂酸；喂料中的SiC粉末占喂料體積的57～68％；b、注射成形在注射溫度為150～175℃，注射壓力為70MPa～125MPa條件下注射成形，得到復(fù)雜形狀的SiC預(yù)成形坯；c、預(yù)成形坯脫脂注射坯體采用“溶脫+熱脫”兩步脫脂工藝進(jìn)行脫除粘結(jié)劑；先在三氯乙烯或三氯乙烷有機(jī)溶劑中于45～60℃下浸泡3～6h進(jìn)行溶劑脫脂；干燥后，再在真空氣氛或空氣中于600～1120℃進(jìn)行熱脫脂及預(yù)燒結(jié)時(shí)間為8～10h，得到多孔SiC骨架；d、無(wú)壓浸滲將浸滲用銅合金置于多孔SiC坯體上在真空爐中進(jìn)行無(wú)壓浸滲，銅合金的重量百分比為3～8％Al、1～3％Fe、1～2％Mn、2～4％Ni，余量Cu；浸滲溫度為1400～1450℃，保溫40～90min，從而得到致密的，組織均勻的SiCp/Cu復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于對(duì)單一粒徑的坯體，SiC顆粒的粒 徑要求在l^m-lOOpm的范圍內(nèi)；對(duì)雙顆粒粒徑的坯體，要確保粗顆粒SiC和細(xì)顆 粒SiC的粒徑比大于7: 1。
全文摘要
一種制備高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的方法，屬金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域。工藝為首先一定粒度分布的SiC粉末混合均勻與多聚物組元石蠟基粘結(jié)劑以57～68體積％裝載量在雙輥擠壓機(jī)上進(jìn)行混煉，得到均勻的喂料；隨后在粉末注射成形機(jī)上以150～175℃的注射溫度、75～125MPa的注射壓力注射成形，得到所需形狀的坯體，經(jīng)過(guò)“溶脫+熱脫”脫脂后于600～1120℃預(yù)燒結(jié)得到多孔SiC預(yù)成形坯。接著在1400℃～1450℃于真空氣氛下采用無(wú)壓浸滲將銅合金滲入多孔SiC預(yù)成形坯。從而獲得高體積分?jǐn)?shù)的SiC_p/Cu復(fù)合材料。本發(fā)明能夠制備形狀復(fù)雜的薄壁SiC_p/Cu復(fù)合材料零部件，增強(qiáng)相的含量高達(dá)57～67體積％，復(fù)合材料的致密度高，顯微組織中增強(qiáng)相分布均勻，而且還具有材料利用率高、生產(chǎn)效率高，成本低的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C22C1/00GK101157993SQ20071017702
公開日2008年4月9日 申請(qǐng)日期2007年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月8日
發(fā)明者何新波, 曲選輝, 段柏華, 秦明禮, 林 章 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)