中高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料研究進展

程思揚，曹 琪，包建勛，張 舸

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所,吉林 長春 130033；2.中國科學院 光學系統(tǒng)先進制造技術重點實驗室，吉林 長春 130033；3.中國科學院大學，北京 100049)

1 引 言

先進光學系統(tǒng)的輕型化、一體化可簡化光學系統(tǒng)結構并降低制造成本。隨著上述需求的日益突出，為了保證成像質量，需要一種具有低成本、輕質、高比剛度、低線膨脹系數(shù)、高熱導率的材料；同時隨著微電子技術的發(fā)展大功率電子元件及熱控系統(tǒng)小型化、高密度化、高可靠性需求的提出，對電子封裝材料的高導熱率以及與芯片材料線膨脹系數(shù)匹配性提出了更高的要求，此外，足夠的比剛度使其也可用于芯片的支撐保護及其它對重量要求極為嚴格的條件，其具有低成本便于大規(guī)模制造。

傳統(tǒng)材料只能部分滿足上述需求，而中高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料(碳化硅體積分數(shù)30%～75%)由于其密度低，線膨脹系數(shù)小，導熱率高等優(yōu)點，可根據(jù)使用需求在一定范圍內調節(jié)碳化硅含量，實現(xiàn)復合材料性能尤其是熱物理性能“可設計”、“可裁剪”，以滿足不同應用需求[1-4]。中高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料具有制備技術成熟多樣、制備成本較低、力學性能各向同性等特點，目前已廣泛應用于精密儀器結構、先進光學以及大功率電子元件及熱控等領域[1,5-8]。

本文介紹了中高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料的主要制備技術，主要實際應用以及中高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料未來發(fā)展趨勢

2 主要制備技術

中高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料目前比較成熟的制備方法有粉末冶金法、攪拌鑄造法、液相浸滲法，根據(jù)材料性能要求的不同還會采用一些新的制備方法。

2.1 粉末冶金法

粉末冶金法是將一定粒度的碳化硅顆粒與鋁粉或鋁合金粉，按照一定比例通過機械混合，經(jīng)冷壓(熱壓)、燒結等工藝獲得致密復合材料；其優(yōu)點是可通過不同配比實現(xiàn)碳化硅體積分數(shù)可調節(jié)(15%～75%)，獲得的復合材料力學性能較高，且反應溫度及反應程度均相對于液相法低，SiC顆粒與鋁合金界面結合較好[9-12]。但粉末冶金法的燒結過程不易控制，導致材料的孔隙率并不能得到有效控制，從而影響復合材料性能。另外，受工藝限制，獲得的復合材料多為錠坯，材料利用率不高，且大尺寸錠坯的制備受設備尺寸限制無法實現(xiàn)[9,13]。Mao等人[12]對碳化硅顆粒進行預處理并對燒結工藝進行優(yōu)化，制備出50Vol.% SiCp/Al復合材料致密度達到98.5%，彎曲強度為495 MPa，線膨脹系數(shù)為8.1×10-6/℃(50～100 ℃)。

2.2 攪拌鑄造法

攪拌鑄造法是通過機械外力將SiC顆粒均勻分散在液相金屬液內，并澆注成型的制備技術，以及由此發(fā)展出半固態(tài)合金攪拌鑄造技術。該技術主要用于中低體積分數(shù)(10%～40%)SiCp/Al復合材料制備，可以制備形狀較為復雜的部件及薄壁制件，也有研究者將攪拌鑄造法用于高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料制備研究。但該工藝存在SiC顆粒與鋁合金液潤濕性較差、不易分散、容易出現(xiàn)縮松縮孔等缺陷的問題[7,10,14]。美國Lanxide公司與TTC公司將無壓浸滲工藝與攪拌鑄造工藝相結合提出了PRIMEXCASTTM工藝。該工藝可利用傳統(tǒng)的鑄造技術成型出體積分數(shù)在20%～50%SiCp/Al復合材料，應用于剎車片和半導體加工裝備等領域。

2.3 液相浸滲法

浸滲法是通過基體液態(tài)合金在外力或毛細管力的作用下充填多孔預制體，固后可獲得最終的復合材料，主要分為壓力浸滲與無壓浸滲兩種工藝路線。它們之間主要的區(qū)別在于液態(tài)金屬滲入到預制體時是否有外力作用。

在預制體制備方面它們之間區(qū)別不大，通常分為粉料堆積成形、粉料注射成形、模壓成形、凝膠注模成形這4類，表1[7,15-26]為幾種預制體制備技術對比。液相法主要浸滲方式分為壓力浸滲和無壓浸滲，其中壓力浸滲又分為擠壓鑄造和氣壓浸滲。

表1 預制體制備技術對比[7,15-26]

2.3.1 擠壓鑄造

擠壓鑄造工藝是將經(jīng)過預熱后的碳化硅預制體放入到專用的模具內，鋁合金液澆注到預制體上方，金屬液在外加機械力作用下充滿整個預制體，并保壓一定時間，金屬液在壓力下凝固，從而獲得復合材料。利用擠壓鑄造工藝獲得的復合材料由于制備時間短、金屬液溫度較低，故可以有效控制界面反應、碳化硅顆粒與基體界面結合好，具有復合材料力學性能高、機械化程度高的特點，但仍存在復合材料尺寸受設備限制，設備成本較高，對工藝因素控制要求較高，容易出現(xiàn)裹氣、氣孔等問題[9-10,27]。圖1為利用擠壓鑄造工藝示意圖[28]。哈爾濱工業(yè)大學武高輝等[27]人針對上述存在的問題，提出了自排氣壓力浸滲工藝可以有效解決在浸滲過程中預制體內部氣體無法排出的問題。

圖1 擠壓鑄造工藝制備SiCp/Al復合材料示意圖[28] Fig.1 Schematic diagram of SiCp/Al composite prepared by squeeze casting processing[28]

2.3.2 氣壓浸滲

氣壓浸滲是原理與擠壓鑄造原理類似，將碳化硅預制體、鋁合金放置到密封腔內加熱至鋁合金完全熔化后，向鋁合金液面上充入高壓惰性氣體將鋁合金液壓入到多孔預制體內，并在壓力下凝固獲得復合材料。在此基礎上發(fā)展出真空壓力浸滲工藝：鋁合金與預制體所在密封腔抽真空，待鋁合金液完全熔化后，在施加高壓惰性氣體將鋁合金液充滿預制體內部孔隙，由于預制體處于真空環(huán)境，避免了傳統(tǒng)壓力浸滲預制體內部殘留氣體產(chǎn)生氣孔、疏松等情況發(fā)生，使獲得的復合材料致密度高、可實現(xiàn)近凈尺寸成型[14,19,27]。圖2為真空壓力浸滲示意圖[29]。但該工藝周期較長，且在制備過程中鋁合金液與碳化硅預制體接觸時間較長，容易發(fā)生有害界面反應，設備成本較高，較為復雜[27]。

圖2 真空氣壓浸滲裝置原理示意圖[29] Fig.2 Schematic diagram of the vacuum infiltration device[29]

2.3.3 無壓浸滲

無壓浸滲技術自20世紀80年代末被美國Lanxide公司提出并申請專利后就受到廣泛關注[30]。無壓浸滲工藝是將具有一定化學成分的浸滲合金與碳化硅預制體加熱到預定溫度，在浸滲氣氛，合金液內化學成分以及毛細管力相互作用下，鋁合金液自發(fā)滲入到碳化硅預制體內，合金液降溫凝固，得到較為致密復合材料。該技術實現(xiàn)的必要條件存在浸滲氣氛，如N2；助滲劑，如Mg；無需施加壓力即可發(fā)生浸滲[31]。無壓浸滲工藝的優(yōu)勢在于能夠實現(xiàn)具有復雜結構部件近凈尺寸制備，同時該工藝不需要真空、壓力等苛刻條件，操作簡便，方法簡單，制備成本較低。但該工藝目前存在制備時間較長，容易發(fā)生有害界面反應等問題[10,32-33]。美國M-Cubed公司[34]將微波加熱技術用于無壓浸滲工藝，相較于傳統(tǒng)加熱工藝，其浸滲時間縮短可以超過50%，降低成本，且材料性能略有提高。

表2為粉末冶金法、攪拌鑄造法與液相浸滲法工藝對比。

表2 粉末冶金法、攪拌鑄造法與液相浸滲法工藝比較

2.4 其他制備工藝的研究

目前有學者利用其它工藝制備中高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料，其中合肥工業(yè)大學王武杰等人[35]針對不同SiC粒徑及體積比進行研究，利用放電等離子燒結技術制備60Vol.%SiCp/Al復合材料，其熱導率可達214 W/(m·K)，并能有效抑制Al4C3脆性相生成。武漢理工大學顧曉峰等人[36]采用不同碳化硅顆粒級配比，利用放電等離子燒結工藝制備出60Vol.%SiCp/Al復合材料，并獲得了較高的熱導率。蘭州理工大學劉興丹等人[37]采用不同于傳統(tǒng)真空熱壓燒結和放電等離子燒結的方式，采用直熱法粉末觸變成形技術制備出60Vol.%的SiCp/Al復合材料，室溫至250 ℃時其平均線膨脹系數(shù)小于5.0×10-6℃-1。

3 中高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料典型應用

中高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料主要應用于精密儀器、光學、電子封裝等領域。

3.1 精密儀器領域的應用

表3[27,38]為中高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料與常見精密儀器材料性能對比?？梢?，相較于傳統(tǒng)的不銹鋼、鈦合金等，其具有比剛度高、導熱系數(shù)高的特點；相較于鈹材具有加工環(huán)境友好的特點，適合應用于精密儀器等領域。美國ACMC公司將中高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料部件(圖3)應用于導彈慣性導航系統(tǒng)以及用于光纖制導導彈(FOG-M)和“海爾法導彈”的紅外成像制導系統(tǒng)以及探測器平衡環(huán)，相對于416不銹鋼重量減少了約62%[39]。美國M-Cubed公司中高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料應用于精密儀器裝備。哈爾濱工業(yè)大學[38]研制出用于儀表級SiCp/Al復合材料，其在交變溫度場下的尺寸穩(wěn)定性在1×10-5以內，且相對于鑄鋁件，其模態(tài)頻率提高了36%。目前已應用于慣導結構件、撓性平臺、陀螺儀、軸承座等(如圖4所示)。其中與應用于某半鈹半SiCp/Al復合材料陀螺儀與LY12鋁合金陀螺儀相比，精度提高了5倍，逐次漂移精度提高幾十倍。北京有色金屬研究總院利用粉末冶金法制備40～70Vol.%SiCp/Al復合材料大尺寸錠坯，應用于無人機與制導武器慣導系統(tǒng)器件[40]。航天材料及工藝研究所成功研制多種中等體積分數(shù)SiCp/Al宇航零件樣件，部分已應用于某型號慣導平臺[41]。

表3 精密儀器常用材料性能對比[27,38]

圖3 紅外成像制導系統(tǒng)的SiCp/Al復合材料部件[39] Fig.3 Precision machined instrument grade MMC components for an imaging infrared guidance system[39]

圖4 慣導系統(tǒng)結構件[38] Fig.4 Structral parts used for inertial measurement and navigation system[38]

3.2 光學及光機結構領域應用

中高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料具有較高的比剛度和熱物理性能，目前已應用于光機結構等領域[42-43]，同時在光學反射鏡領域也進行了探索性研究與應用。美國M-Cubed公司利用PRIMEXTM技術制備的中高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料應用于反射鏡、光機結構外殼制造。美國亞利桑那大學與美國ACMC合作研制的口徑為300 mm超輕型空間望遠鏡(圖5)，其主次鏡連接桁架、次鏡、次鏡支撐系統(tǒng)均采用中高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料制備，而使其整個望遠鏡重量僅為4.5 kg；同時美國ACMC公司研制中高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料用于替代鈹材料作為坦克紅外瞄準系統(tǒng)反射鏡、前視紅外反射鏡以及激光反射鏡等(圖6)[39,44-45]。加拿大空間局與美國DWA公司嘗試將粉末冶金工藝制造的30Vol.% SiCp/Al復合材料激光掃描鏡(圖7)應用于國際空間站三維空間視覺系統(tǒng)，利用單點金剛石車削加工技術，其表面化學鍍Ni-P涂層可以實現(xiàn)波前誤差為1.43λ(λ=633 nm)和RMS=0.08λ，滿足作為激光掃描鏡的使用要求[46]。

圖5 超輕型空間望遠鏡原理圖[44] Fig.5 Prototype ultra-lightweight space telescope incorporating MMC materials[44]

圖6 美國ACMC公司制備的SiCp/Al復合材料反射鏡[39] Fig.6 ACMC SiCp/Al mirrors[39]

圖7 SiCp/Al應用于激光掃描鏡[43] Fig.7 Photographs of the laser scanning mirror made from 30Vol.% SiCp/Al composite[43]

哈爾濱工業(yè)大學成功研制出應用于紅外波段SiCp/Al復合材料反射鏡，并且在熱力耦合作用下具有較高的尺寸穩(wěn)定性(圖8)[5,27]。北京航空材料研究院[30,46-47]利用無壓浸滲工藝制備的中高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料焦面支撐結構(圖9所示)、調焦機構零部件、航空光電穩(wěn)定平臺框架等應用于空間光機結構和航空光電穩(wěn)定平臺，保證光學系統(tǒng)成像質量。我國采用SiCp/Al復合材料的衛(wèi)星相機零件已應用于“資源二號”衛(wèi)星，相較于原設計采用的鈦合金在降低零件重量的同時，傳熱性能顯著提高[48]。北京有色金屬研究總院、中國科學院沈陽金屬研究所制備出應用于航天結構功能一體化領域的中高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料。華南理工大學利用壓力浸滲方式制備碳化硅體積分數(shù)大于60%SiCp/Al復合材料，用于制作空間反射鏡坯，由于SiC與Al基體的硬度差異較大，在光學加工過程中存在去除速率不同的情況。針對這一問題，采用在SiCp/Al表面鍍與SiCp/Al線膨脹系數(shù)相匹配的鉍玻璃涂層，光學加工時可以獲得超光滑表面。表面粗糙度Ra=0.96 nm，PV=0.052λ(λ=632.8 nm)，平面鏡斜率均方根小于0.009λ[49]。

圖8 SiCp/Al復合材料反射鏡[5] Fig.8 Mirrors made from SiCp/Al composites[5]

圖9 空間光機結構部件[30] Fig.9 Space optomechanical components[30]

中國科學院長春光學精密機械與物理研究所將凝膠注模技術與無壓浸滲技術相結合，實現(xiàn)高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料反射鏡坯及其光機結構件近凈尺寸制備，大大降低復合材料加工周期，同時反射鏡與支撐連接結構采用同一種材料可大大提高光學系統(tǒng)的成像效果。圖10為全SiCp/Al反射鏡組件。

圖10 全SiCp/Al 反射鏡組件 Fig.10 Components of all SiCp/Al mirrors

3.3 電子封裝及熱控領域應用

表4為常用電子封裝與芯片材料熱物理性能及密度[20,27]。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，中高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料由于其密度低、導熱系數(shù)高，且線膨脹系數(shù)低，作為電子封裝外殼可與芯片很好地進行匹配。目前已大規(guī)模應用于電子封裝及熱控領域，尤其是對重量要求極為敏感的航空航天電子系統(tǒng)。圖11[50]為相同結構Kovar合金和高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料制備的微波封裝部件。通過對比可以看出，高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料在提高熱性能的前提下，顯著降低重量。美國Lanxide公司及TTC公司制備的PRIMEXTMSiCp/Al復合材料，其線膨脹系數(shù)為4.8～8.6×10-6/℃，其PRIMECOOLTM電子封裝及熱控元件產(chǎn)品具有優(yōu)異的熱性能，相較于傳統(tǒng)Cu/W和Fe/Ni合金可以節(jié)省超過40%的重量，目前已應用于“卡西尼”太空探測器、“銥星”系統(tǒng)，美國空軍及歐洲戰(zhàn)斗機及電子吊艙。此外，日本新干線列車，豐田普銳斯混合動力汽車等也采用Lanxide及TTC公司的PRIMECOOLTM系列產(chǎn)品。美國洛克希德·馬丁公司將SiCp/Al復合材料用于制作衛(wèi)星遠程電源控制器以及裝備于美國DSCS-III軍用通訊衛(wèi)星的微波封裝部件，該部件相較于Kovar合金重量可以減少10 kg以上[51]；美國Alcoa公司采用壓力鑄造方式近凈尺寸成型的65～75Vol.% SiCp/Al復合材料用于多芯片封裝。相較于傳統(tǒng)釬焊和錫焊在獲得更好的散熱效果的同時可減少操作步驟、降低成本[50]。美國CPS公司開發(fā)出具有特色的QuickSetTM/QuickCastTM制備工藝，可實現(xiàn)薄壁件近凈尺寸成型并結合Concurrent IntegrationTM技術實現(xiàn)鑲嵌件同步浸滲結合可取代后期焊接步驟，從而降低制備成本，其制備的SiCp/Al復合材料的熱導率可達170～200 W/(m·K)，產(chǎn)品應用于IGBT基板、冷卻器，封裝外殼等產(chǎn)品，在雷達系統(tǒng)、航空航天電子系統(tǒng)、微波通訊等領域應用[20,52]。法國Egide-Xeram公司生產(chǎn)的大尺寸基板已應用于Thomson-CSF雷達的微波封裝；德國DMC公司與CEPAL實驗室致力于生產(chǎn)高質量、低成本微處理外殼[10]；日本電氣化株式會社利用壓力浸滲工藝制備SiCp/Al復合材料用于制作功率模塊、IGBT基板、散熱器等；日本田島輕金屬株式會社利用PRIMEX CASTTM技術制備中等體積分數(shù)SiCp/Al復合材料用于精密檢測設備和精密機械磨損和制動部件等[14]。目前我國在電子封裝領域，高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料用戶主要包括中車集團、比亞迪、江淮動力、天津恒天、奇瑞、吉利、啟辰晨風等廠家以及一些LED廠商和軍工電子廠商，且均依靠進口[53]。國內多家研究機構如中南大學[14,53]、國防科技大學[24]、哈爾濱工業(yè)大學在[28]、北京科技大學[54]、合肥工業(yè)大學[55]、西北工業(yè)大學[22]、西安電子科技大學[23,29]、北京有色金屬研究總院均對用于電子封裝及熱控領域的中高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料展開研究。其中中南大學[14]對年產(chǎn)200 m2電子封裝用高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料工藝和設備進行設計；國防科技大學與中南大學小批量研制用于相控陣雷達的SiCp/Al T/R組件封裝外殼[56]；北京科技大學何新波等人[54]制備的67Vol.% SiCp/Al復合材料封裝零件，導熱率可達190 W/(m·K)，可滿足封裝材料的使用要求，其綜合性能與國內外所制備的材料性能接近；北京有色金屬研究總院研制出用于電子封裝的60～70Vol.%SiCp/Al復合材料；同時以湖南浩威特科技發(fā)展有限公司、西安明科微電子材料有限公司、西安法迪復合材料有限公司等多家新技術企業(yè)致力于中高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料在電子封裝領域的研發(fā)、生產(chǎn)和推廣。

表4 傳統(tǒng)電子封裝材料與芯片材料熱物理性能與密度[20,27]

圖11 微波封裝組件[44] Fig.11 Microwave packaging components[44]

4 中高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料發(fā)展趨勢

盡管中高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料制備技術相對比較成熟，已有廣泛的應用。未來中高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料應重點從以下幾方面進行研究：

(1)探索新的預制體制備技術，克服上述預制體制備技術存在的缺點，實現(xiàn)預制體大尺寸、近凈尺寸成型，并縮短制備周期;

(2)進一步優(yōu)化中高體積分數(shù)SiCp/Al復合

材料制備工藝，提高復合材料性能;

(3)完善中高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料缺陷檢測方法和技術，制定中高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料缺陷判定方法；

(4)深入研究中高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料精密加工技術，實現(xiàn)高速、高效加工，縮短加工周期及成本;

(5)優(yōu)化中高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料尺寸穩(wěn)定性處理工藝，滿足精密儀器儀表、光學、電子封裝等領域的使用需求。

5 結束語

中高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料具有制備技術成熟度較高，制備成本較低，綜合性能較為均衡的特點，隨著航空航天、電子領域的高速發(fā)展，尤其是高鐵、電動汽車等民用領域的興起，對于中高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料的需求也更加旺盛。與此同時國內對于該材料的應用與國外先進國家相比起步較晚，應繼續(xù)對該領域進行深入的研究。