粉末冶金制备梯度硅铝合金性能表征和结构优化研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wangliang284
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电子封装材料领域,将高硅铝合金良好的热膨胀性能与低硅铝合金良好的焊接性结合形成梯度硅铝合金,获得良好的综合性能,但是其性能评价和结构优化设计方面少有研究,阻碍了其使用。本课题在现有封装需求的基础之上,制备了梯度硅铝合金并评价其性能,进行了梯度硅铝合金的结构优化,为其应用提供了新思路。本文采用粉末冶金结合热等静压工艺制备了27%-38%-50%Si/Al三层准连续梯度硅铝合金,对其组织和机械、物理性能进行了评价,使用ABAQUS有限元分析软件对梯度硅铝合金进行了结构优化,分别探究了浓度差、中间过渡层组分、过渡层数、梯度函数等对于热应力的影响,研究结果表明:(1)通过粉末冶金结合热等静压致密度化制备梯度硅铝合金致密度在99.5%以上,组织中硅颗粒细小均匀;(2)27%-38%Si/Al梯度结合处抗拉强度达到190 MPa,高于38%-50%Si/Al的153 MPa;抗弯强度为301 MPa,略低于38%-50%Si/Al的314 MPa;冲击韧性高于38%-50%Si/Al,但整体脆性都较大;(3)27%-38%Si/Al梯度结合处热导率为180 W/(m×K),高于38%-50%Si/Al层的160 W/(m×K),室温热膨胀值为15.01×10-6/K,高于38%-50%Si/Al层的11.80×10-6/K;理论计算27%-38%Si/Al梯度结合处热导率和热膨胀值分别为16.19×10-6/K和206.11 W/(m×K),38%-50%Si/Al梯度结合处分别为13.70×10-6/K和195.81 W/(m×K),结合层处热导率和热膨胀值均位于相邻两均质组分中间,低于理论值;热震试验表明材料能抵抗20-300℃热循环40次而没有明显破坏;气密性试验表明梯度硅铝合金的气密性为7.4×10-10Pa×cm~3/s。(4)ABAQUS软件建立的100 mm×100 mm×10 mm模型中,在-80~300℃变化下,梯度浓度差越大,热应力越大;选择27%Si/Al和50%Si/Al组合,中间层为39%Si/Al时,热应力值达到最小的42.47 MPa,中间层38%Si/Al占总厚度比例为41.67%时的结构可达到应力缓和的最佳效果;梯度成分函数P指数为1时应力缓和效果最佳。
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