中高体积分数SiCp/Al复合材料研究进展

程思扬，曹 琪，包建勋，张 舸

(1.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033；2.中国科学院 光学系统先进制造技术重点实验室，吉林 长春 130033；3.中国科学院大学，北京 100049)

1 引 言

先进光学系统的轻型化、一体化可简化光学系统结构并降低制造成本。随着上述需求的日益突出，为了保证成像质量，需要一种具有低成本、轻质、高比刚度、低线膨胀系数、高热导率的材料；同时随着微电子技术的发展大功率电子元件及热控系统小型化、高密度化、高可靠性需求的提出，对电子封装材料的高导热率以及与芯片材料线膨胀系数匹配性提出了更高的要求，此外，足够的比刚度使其也可用于芯片的支撑保护及其它对重量要求极为严格的条件，其具有低成本便于大规模制造。

传统材料只能部分满足上述需求，而中高体积分数SiCp/Al复合材料(碳化硅体积分数30%～75%)由于其密度低，线膨胀系数小，导热率高等优点，可根据使用需求在一定范围内调节碳化硅含量，实现复合材料性能尤其是热物理性能“可设计”、“可裁剪”，以满足不同应用需求[1-4]。中高体积分数SiCp/Al复合材料具有制备技术成熟多样、制备成本较低、力学性能各向同性等特点，目前已广泛应用于精密仪器结构、先进光学以及大功率电子元件及热控等领域[1,5-8]。

本文介绍了中高体积分数SiCp/Al复合材料的主要制备技术，主要实际应用以及中高体积分数SiCp/Al复合材料未来发展趋势

2 主要制备技术

中高体积分数SiCp/Al复合材料目前比较成熟的制备方法有粉末冶金法、搅拌铸造法、液相浸渗法，根据材料性能要求的不同还会采用一些新的制备方法。

2.1 粉末冶金法

粉末冶金法是将一定粒度的碳化硅颗粒与铝粉或铝合金粉，按照一定比例通过机械混合，经冷压(热压)、烧结等工艺获得致密复合材料；其优点是可通过不同配比实现碳化硅体积分数可调节(15%～75%)，获得的复合材料力学性能较高，且反应温度及反应程度均相对于液相法低，SiC颗粒与铝合金界面结合较好[9-12]。但粉末冶金法的烧结过程不易控制，导致材料的孔隙率并不能得到有效控制，从而影响复合材料性能。另外，受工艺限制，获得的复合材料多为锭坯，材料利用率不高，且大尺寸锭坯的制备受设备尺寸限制无法实现[9,13]。Mao等人[12]对碳化硅颗粒进行预处理并对烧结工艺进行优化，制备出50Vol.% SiCp/Al复合材料致密度达到98.5%，弯曲强度为495 MPa，线膨胀系数为8.1×10-6/℃(50～100 ℃)。

2.2 搅拌铸造法

搅拌铸造法是通过机械外力将SiC颗粒均匀分散在液相金属液内，并浇注成型的制备技术，以及由此发展出半固态合金搅拌铸造技术。该技术主要用于中低体积分数(10%～40%)SiCp/Al复合材料制备，可以制备形状较为复杂的部件及薄壁制件，也有研究者将搅拌铸造法用于高体积分数SiCp/Al复合材料制备研究。但该工艺存在SiC颗粒与铝合金液润湿性较差、不易分散、容易出现缩松缩孔等缺陷的问题[7,10,14]。美国Lanxide公司与TTC公司将无压浸渗工艺与搅拌铸造工艺相结合提出了PRIMEXCASTTM工艺。该工艺可利用传统的铸造技术成型出体积分数在20%～50%SiCp/Al复合材料，应用于刹车片和半导体加工装备等领域。

2.3 液相浸渗法

浸渗法是通过基体液态合金在外力或毛细管力的作用下充填多孔预制体，固后可获得最终的复合材料，主要分为压力浸渗与无压浸渗两种工艺路线。它们之间主要的区别在于液态金属渗入到预制体时是否有外力作用。

在预制体制备方面它们之间区别不大，通常分为粉料堆积成形、粉料注射成形、模压成形、凝胶注模成形这4类，表1[7,15-26]为几种预制体制备技术对比。液相法主要浸渗方式分为压力浸渗和无压浸渗，其中压力浸渗又分为挤压铸造和气压浸渗。

表1 预制体制备技术对比[7,15-26]

2.3.1 挤压铸造

挤压铸造工艺是将经过预热后的碳化硅预制体放入到专用的模具内，铝合金液浇注到预制体上方，金属液在外加机械力作用下充满整个预制体，并保压一定时间，金属液在压力下凝固，从而获得复合材料。利用挤压铸造工艺获得的复合材料由于制备时间短、金属液温度较低，故可以有效控制界面反应、碳化硅颗粒与基体界面结合好，具有复合材料力学性能高、机械化程度高的特点，但仍存在复合材料尺寸受设备限制，设备成本较高，对工艺因素控制要求较高，容易出现裹气、气孔等问题[9-10,27]。图1为利用挤压铸造工艺示意图[28]。哈尔滨工业大学武高辉等[27]人针对上述存在的问题，提出了自排气压力浸渗工艺可以有效解决在浸渗过程中预制体内部气体无法排出的问题。

图1 挤压铸造工艺制备SiCp/Al复合材料示意图[28] Fig.1 Schematic diagram of SiCp/Al composite prepared by squeeze casting processing[28]

2.3.2 气压浸渗

气压浸渗是原理与挤压铸造原理类似，将碳化硅预制体、铝合金放置到密封腔内加热至铝合金完全熔化后，向铝合金液面上充入高压惰性气体将铝合金液压入到多孔预制体内，并在压力下凝固获得复合材料。在此基础上发展出真空压力浸渗工艺：铝合金与预制体所在密封腔抽真空，待铝合金液完全熔化后，在施加高压惰性气体将铝合金液充满预制体内部孔隙，由于预制体处于真空环境，避免了传统压力浸渗预制体内部残留气体产生气孔、疏松等情况发生，使获得的复合材料致密度高、可实现近净尺寸成型[14,19,27]。图2为真空压力浸渗示意图[29]。但该工艺周期较长，且在制备过程中铝合金液与碳化硅预制体接触时间较长，容易发生有害界面反应，设备成本较高，较为复杂[27]。

图2 真空气压浸渗装置原理示意图[29] Fig.2 Schematic diagram of the vacuum infiltration device[29]

2.3.3 无压浸渗

无压浸渗技术自20世纪80年代末被美国Lanxide公司提出并申请专利后就受到广泛关注[30]。无压浸渗工艺是将具有一定化学成分的浸渗合金与碳化硅预制体加热到预定温度，在浸渗气氛，合金液内化学成分以及毛细管力相互作用下，铝合金液自发渗入到碳化硅预制体内，合金液降温凝固，得到较为致密复合材料。该技术实现的必要条件存在浸渗气氛，如N2；助渗剂，如Mg；无需施加压力即可发生浸渗[31]。无压浸渗工艺的优势在于能够实现具有复杂结构部件近净尺寸制备，同时该工艺不需要真空、压力等苛刻条件，操作简便，方法简单，制备成本较低。但该工艺目前存在制备时间较长，容易发生有害界面反应等问题[10,32-33]。美国M-Cubed公司[34]将微波加热技术用于无压浸渗工艺，相较于传统加热工艺，其浸渗时间缩短可以超过50%，降低成本，且材料性能略有提高。

表2为粉末冶金法、搅拌铸造法与液相浸渗法工艺对比。

表2 粉末冶金法、搅拌铸造法与液相浸渗法工艺比较

2.4 其他制备工艺的研究

目前有学者利用其它工艺制备中高体积分数SiCp/Al复合材料，其中合肥工业大学王武杰等人[35]针对不同SiC粒径及体积比进行研究，利用放电等离子烧结技术制备60Vol.%SiCp/Al复合材料，其热导率可达214 W/(m·K)，并能有效抑制Al4C3脆性相生成。武汉理工大学顾晓峰等人[36]采用不同碳化硅颗粒级配比，利用放电等离子烧结工艺制备出60Vol.%SiCp/Al复合材料，并获得了较高的热导率。兰州理工大学刘兴丹等人[37]采用不同于传统真空热压烧结和放电等离子烧结的方式，采用直热法粉末触变成形技术制备出60Vol.%的SiCp/Al复合材料，室温至250 ℃时其平均线膨胀系数小于5.0×10-6℃-1。

3 中高体积分数SiCp/Al复合材料典型应用

中高体积分数SiCp/Al复合材料主要应用于精密仪器、光学、电子封装等领域。

3.1 精密仪器领域的应用

表3[27,38]为中高体积分数SiCp/Al复合材料与常见精密仪器材料性能对比。可见，相较于传统的不锈钢、钛合金等，其具有比刚度高、导热系数高的特点；相较于铍材具有加工环境友好的特点，适合应用于精密仪器等领域。美国ACMC公司将中高体积分数SiCp/Al复合材料部件(图3)应用于导弹惯性导航系统以及用于光纤制导导弹(FOG-M)和“海尔法导弹”的红外成像制导系统以及探测器平衡环，相对于416不锈钢重量减少了约62%[39]。美国M-Cubed公司中高体积分数SiCp/Al复合材料应用于精密仪器装备。哈尔滨工业大学[38]研制出用于仪表级SiCp/Al复合材料，其在交变温度场下的尺寸稳定性在1×10-5以内，且相对于铸铝件，其模态频率提高了36%。目前已应用于惯导结构件、挠性平台、陀螺仪、轴承座等(如图4所示)。其中与应用于某半铍半SiCp/Al复合材料陀螺仪与LY12铝合金陀螺仪相比，精度提高了5倍，逐次漂移精度提高几十倍。北京有色金属研究总院利用粉末冶金法制备40～70Vol.%SiCp/Al复合材料大尺寸锭坯，应用于无人机与制导武器惯导系统器件[40]。航天材料及工艺研究所成功研制多种中等体积分数SiCp/Al宇航零件样件，部分已应用于某型号惯导平台[41]。

表3 精密仪器常用材料性能对比[27,38]

图3 红外成像制导系统的SiCp/Al复合材料部件[39] Fig.3 Precision machined instrument grade MMC components for an imaging infrared guidance system[39]

图4 惯导系统结构件[38] Fig.4 Structral parts used for inertial measurement and navigation system[38]

3.2 光学及光机结构领域应用

中高体积分数SiCp/Al复合材料具有较高的比刚度和热物理性能，目前已应用于光机结构等领域[42-43]，同时在光学反射镜领域也进行了探索性研究与应用。美国M-Cubed公司利用PRIMEXTM技术制备的中高体积分数SiCp/Al复合材料应用于反射镜、光机结构外壳制造。美国亚利桑那大学与美国ACMC合作研制的口径为300 mm超轻型空间望远镜(图5)，其主次镜连接桁架、次镜、次镜支撑系统均采用中高体积分数SiCp/Al复合材料制备，而使其整个望远镜重量仅为4.5 kg；同时美国ACMC公司研制中高体积分数SiCp/Al复合材料用于替代铍材料作为坦克红外瞄准系统反射镜、前视红外反射镜以及激光反射镜等(图6)[39,44-45]。加拿大空间局与美国DWA公司尝试将粉末冶金工艺制造的30Vol.% SiCp/Al复合材料激光扫描镜(图7)应用于国际空间站三维空间视觉系统，利用单点金刚石车削加工技术，其表面化学镀Ni-P涂层可以实现波前误差为1.43λ(λ=633 nm)和RMS=0.08λ，满足作为激光扫描镜的使用要求[46]。

图5 超轻型空间望远镜原理图[44] Fig.5 Prototype ultra-lightweight space telescope incorporating MMC materials[44]

图6 美国ACMC公司制备的SiCp/Al复合材料反射镜[39] Fig.6 ACMC SiCp/Al mirrors[39]

图7 SiCp/Al应用于激光扫描镜[43] Fig.7 Photographs of the laser scanning mirror made from 30Vol.% SiCp/Al composite[43]

哈尔滨工业大学成功研制出应用于红外波段SiCp/Al复合材料反射镜，并且在热力耦合作用下具有较高的尺寸稳定性(图8)[5,27]。北京航空材料研究院[30,46-47]利用无压浸渗工艺制备的中高体积分数SiCp/Al复合材料焦面支撑结构(图9所示)、调焦机构零部件、航空光电稳定平台框架等应用于空间光机结构和航空光电稳定平台，保证光学系统成像质量。我国采用SiCp/Al复合材料的卫星相机零件已应用于“资源二号”卫星，相较于原设计采用的钛合金在降低零件重量的同时，传热性能显著提高[48]。北京有色金属研究总院、中国科学院沈阳金属研究所制备出应用于航天结构功能一体化领域的中高体积分数SiCp/Al复合材料。华南理工大学利用压力浸渗方式制备碳化硅体积分数大于60%SiCp/Al复合材料，用于制作空间反射镜坯，由于SiC与Al基体的硬度差异较大，在光学加工过程中存在去除速率不同的情况。针对这一问题，采用在SiCp/Al表面镀与SiCp/Al线膨胀系数相匹配的铋玻璃涂层，光学加工时可以获得超光滑表面。表面粗糙度Ra=0.96 nm，PV=0.052λ(λ=632.8 nm)，平面镜斜率均方根小于0.009λ[49]。

图8 SiCp/Al复合材料反射镜[5] Fig.8 Mirrors made from SiCp/Al composites[5]

图9 空间光机结构部件[30] Fig.9 Space optomechanical components[30]

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所将凝胶注模技术与无压浸渗技术相结合，实现高体积分数SiCp/Al复合材料反射镜坯及其光机结构件近净尺寸制备，大大降低复合材料加工周期，同时反射镜与支撑连接结构采用同一种材料可大大提高光学系统的成像效果。图10为全SiCp/Al反射镜组件。

图10 全SiCp/Al 反射镜组件 Fig.10 Components of all SiCp/Al mirrors

3.3 电子封装及热控领域应用

表4为常用电子封装与芯片材料热物理性能及密度[20,27]。通过对比可以发现，中高体积分数SiCp/Al复合材料由于其密度低、导热系数高，且线膨胀系数低，作为电子封装外壳可与芯片很好地进行匹配。目前已大规模应用于电子封装及热控领域，尤其是对重量要求极为敏感的航空航天电子系统。图11[50]为相同结构Kovar合金和高体积分数SiCp/Al复合材料制备的微波封装部件。通过对比可以看出，高体积分数SiCp/Al复合材料在提高热性能的前提下，显著降低重量。美国Lanxide公司及TTC公司制备的PRIMEXTMSiCp/Al复合材料，其线膨胀系数为4.8～8.6×10-6/℃，其PRIMECOOLTM电子封装及热控元件产品具有优异的热性能，相较于传统Cu/W和Fe/Ni合金可以节省超过40%的重量，目前已应用于“卡西尼”太空探测器、“铱星”系统，美国空军及欧洲战斗机及电子吊舱。此外，日本新干线列车，丰田普锐斯混合动力汽车等也采用Lanxide及TTC公司的PRIMECOOLTM系列产品。美国洛克希德·马丁公司将SiCp/Al复合材料用于制作卫星远程电源控制器以及装备于美国DSCS-III军用通讯卫星的微波封装部件，该部件相较于Kovar合金重量可以减少10 kg以上[51]；美国Alcoa公司采用压力铸造方式近净尺寸成型的65～75Vol.% SiCp/Al复合材料用于多芯片封装。相较于传统钎焊和锡焊在获得更好的散热效果的同时可减少操作步骤、降低成本[50]。美国CPS公司开发出具有特色的QuickSetTM/QuickCastTM制备工艺，可实现薄壁件近净尺寸成型并结合Concurrent IntegrationTM技术实现镶嵌件同步浸渗结合可取代后期焊接步骤，从而降低制备成本，其制备的SiCp/Al复合材料的热导率可达170～200 W/(m·K)，产品应用于IGBT基板、冷却器，封装外壳等产品，在雷达系统、航空航天电子系统、微波通讯等领域应用[20,52]。法国Egide-Xeram公司生产的大尺寸基板已应用于Thomson-CSF雷达的微波封装；德国DMC公司与CEPAL实验室致力于生产高质量、低成本微处理外壳[10]；日本电气化株式会社利用压力浸渗工艺制备SiCp/Al复合材料用于制作功率模块、IGBT基板、散热器等；日本田岛轻金属株式会社利用PRIMEX CASTTM技术制备中等体积分数SiCp/Al复合材料用于精密检测设备和精密机械磨损和制动部件等[14]。目前我国在电子封装领域，高体积分数SiCp/Al复合材料用户主要包括中车集团、比亚迪、江淮动力、天津恒天、奇瑞、吉利、启辰晨风等厂家以及一些LED厂商和军工电子厂商，且均依靠进口[53]。国内多家研究机构如中南大学[14,53]、国防科技大学[24]、哈尔滨工业大学在[28]、北京科技大学[54]、合肥工业大学[55]、西北工业大学[22]、西安电子科技大学[23,29]、北京有色金属研究总院均对用于电子封装及热控领域的中高体积分数SiCp/Al复合材料展开研究。其中中南大学[14]对年产200 m2电子封装用高体积分数SiCp/Al复合材料工艺和设备进行设计；国防科技大学与中南大学小批量研制用于相控阵雷达的SiCp/Al T/R组件封装外壳[56]；北京科技大学何新波等人[54]制备的67Vol.% SiCp/Al复合材料封装零件，导热率可达190 W/(m·K)，可满足封装材料的使用要求，其综合性能与国内外所制备的材料性能接近；北京有色金属研究总院研制出用于电子封装的60～70Vol.%SiCp/Al复合材料；同时以湖南浩威特科技发展有限公司、西安明科微电子材料有限公司、西安法迪复合材料有限公司等多家新技术企业致力于中高体积分数SiCp/Al复合材料在电子封装领域的研发、生产和推广。

表4 传统电子封装材料与芯片材料热物理性能与密度[20,27]

图11 微波封装组件[44] Fig.11 Microwave packaging components[44]

4 中高体积分数SiCp/Al复合材料发展趋势

尽管中高体积分数SiCp/Al复合材料制备技术相对比较成熟，已有广泛的应用。未来中高体积分数SiCp/Al复合材料应重点从以下几方面进行研究：

(1)探索新的预制体制备技术，克服上述预制体制备技术存在的缺点，实现预制体大尺寸、近净尺寸成型，并缩短制备周期;

(2)进一步优化中高体积分数SiCp/Al复合

材料制备工艺，提高复合材料性能;

(3)完善中高体积分数SiCp/Al复合材料缺陷检测方法和技术，制定中高体积分数SiCp/Al复合材料缺陷判定方法；

(4)深入研究中高体积分数SiCp/Al复合材料精密加工技术，实现高速、高效加工，缩短加工周期及成本;

(5)优化中高体积分数SiCp/Al复合材料尺寸稳定性处理工艺，满足精密仪器仪表、光学、电子封装等领域的使用需求。

5 结束语

中高体积分数SiCp/Al复合材料具有制备技术成熟度较高，制备成本较低，综合性能较为均衡的特点，随着航空航天、电子领域的高速发展，尤其是高铁、电动汽车等民用领域的兴起，对于中高体积分数SiCp/Al复合材料的需求也更加旺盛。与此同时国内对于该材料的应用与国外先进国家相比起步较晚，应继续对该领域进行深入的研究。