碳/铝复合材料的制备及热传导机理研究

随着电子元器件功率增大,对热沉等材料的热导率提出了更高的要求。作为应用前景良好的典型高导热铝基复合材料,金刚石增强铝基复合材料(Diamond/Al)和片层石墨增强铝基复合材料(Gf/Al)成为目前的研究热点。本文以这两种材料为研究对象,针对Diamond/Al中金刚石和铝合金基体润湿性差、界面结合弱的问题,提出采用溶胶-凝胶法(sol-gel)与原位反应相结合的新技术在金刚石表面涂覆一层均匀的纳米TiC和SiC涂层,研究纳米级TiC和SiC涂层对Diamond/Al性能和界面结合的影响规律。同时,为了尽量减少片层石墨(Gf)与Al合金基体之间的反应,研究粉末冶金法制备高导热Gf/Al的可行性。探讨影响Gf/Al微观组织和性能的关键因素,并针对复合材料服役工况,研究冷热循环对Gf/Al组织和性能的影响。本文主要研究工作及结果如下:(1)采用溶胶-凝胶法与原位反应相结合的新技术在金刚石表面制备纳米TiC涂层,研究不同Ti02溶胶、不同烧结温度和时间对TiC涂层的影响规律。研究表明,采用pH值为7.5、摩尔浓度为0.2 mol/L的TiO2溶胶涂覆金刚石,并在1450 ℃烧结2小时,可在金刚石表面形成均匀的TiC涂层。(2)采用涂覆TiC涂层的金刚石制备Diamond/Al复合材料(TiC@Diamond/Al),研究TiC涂层对TiC@Diamond/Al组织和性能的影响。研究结果表明,TiC涂层可以明显改善金刚石和Al合金基体的润湿性和界面结合。50vol.%TiC@Diamond/Al与50vol.%Diamond/Al相比,致密度由96.7%提高到99.6%,抗弯强度提高35%,界面换热系数提高54%。但在复合材料中TiC涂层溶解到A1合金基体中,金刚石和Al合金基体直接接触,它们之间巨大的声子传导速率差异导致复合材料的热导率绝对数值较低。对于TiC@Diamond/Al复合材料,当金刚石的体积分数低于50%时复合材料的致密度良好且抗弯强度较高,35vo1.%TiC@Diamnod/Al的抗弯强度最高,为578MPa。当金刚石的体积分数提高到60vol.%时,金刚石之间会形成搭接骨架,A1合金基体很难进入到搭接的骨架结构中,从而在复合材料中形成大量的缺陷。60vol.%TiC@Diamond/Al的致密度仅为94.2%,抗弯强度仅为200 MPa,热导率仅为300 W/m K。(3)采用溶胶-凝胶法与原位还原相结合的新技术在金刚石表面制备纳米SiC涂层,采用不同Si02溶胶涂覆金刚石,选择不同烧结时间在金刚石表面制备纳米级的SiC涂层。研究表明,采用pH值为7.5、摩尔浓度为0.15 mol/L的Si02溶胶可在金刚石表面形成厚度约20 nm且均匀分布的SiC涂层,涂层中无其它物质产生。(4)采用涂覆SiC涂层的金刚石制备Diamond/Al复合材料(SiC@Diamond/Al),研究SiC涂层对SiC@Diamond/Al组织和性能的影响。结果表明,SiC涂层可以明显改善金刚石和Al合金基体的润湿性和界面结合,复合材料的热压温度是影响其性能的关键因素。热压温度为620 ℃时复合材料的致密度、抗弯强度和热导率达到最高值,分别为99.6%、475MPa和485 W/m·K。热压温度升高到660℃时SiC涂层与Al合金基体反应,金刚石和Al合金之间较差的润湿性导致材料致密度下降,其抗弯强度和热导率分别下降24%和9%。620 ℃热压得到的复合材料中的部分SiC涂层溶解到Al合金基体中,由此导致金刚石与Al合金界面上的SiC涂层分布不连续。SiC的声子传导速率在金刚石和铝合金之间有效地缓解了声子在金刚石和Al合金界面处的散射。同时,界面处的SiC涂层较薄,且SiC本身的热导率较高,这些因素共同提高了金刚石和Al合金基体的界面热传导。SiC涂层比TiC涂层增强的Diamond/Al的热导率提高27%,界面换热系数提高约5倍。与TiC涂层相似,金刚石的体积分数低于50%时制备的SiC@Diamond/Al的致密度良好、抗弯强度较高,复合材料的界面换热系数基本相同。但60vol.%SiC@Diamond/Al的性能明显下降,表明在高体积含量的Diamond/Al中缺陷是影响材料热导率的主要因素。(5)制备不同片层石墨尺寸的Gf/Al复合材料,研究不同真空热压温度、片层石墨尺寸和片层石墨体积分数等因素对Gf/Al组织和性能的影响。结果表明,620℃热压所得复合材料的密度接近理论密度,性能良好,片层石墨的(001)Gf基面基本与坯锭的圆周所在的平面(xy平面)平行。当片层石墨体积分数为50%时,随着片层石墨尺寸增加,复合材料的强度逐渐降低且热导率逐渐增加。片层石墨尺寸由150 μm增加到500 μm,复合材料xy平面的热导率增加63%,最大为604 W/m K。除了片层石墨的尺寸,其形状、分布和内部缺陷等对复合材料的热导率也有一定的影响。当片层石墨尺寸为500μm,且体积含量由50%增加至70%时,复合材料的强度降低55%,热导率增加26%,可达 760 W/m K。(6)研究不同的冷热循环工艺对Gf/Al组织和性能的影响。结果表明,冷热循环次数达到100次以上,复合材料的性能明显下降。对于500μm的片层石墨,50vol.%Gf/Al抗弯强度下降34%,热导率下降13%。冷热循环过程中部分片层石墨的片层之间开裂,且片层石墨和Al合金基体的界面开裂是性能下降的主要原因。增加热冲击载荷,50vol.%Gf/Al的微观组织和性能随循环次数增加的变化规律与较小的热冲击载荷的结果相似。片层石墨的强度较低,较小的热应力会导致其开裂,片层石墨开裂的同时会释放大部分的热应力,因此即便增加热冲击载荷,复合材料的性能也不明显下降。