本發明屬于金屬基復合材料領域，特別涉及一種碳化硅增強鋁基復合材料的制備方法。
背景技術：
隨著現代電子信息技術的高速發展，電子元器件內部芯片集成度迅速提高、功率快速增大，電子器件工作所產生的熱量急劇增大，對電子封裝材料導熱性能的需求越來越高；同時隨著芯片集成度的提高，電子產品內部結構趨于復雜化、精細化，這對電子封裝材料與芯片及其它半導體器件的熱匹配性能要求也越來越高。近年來，顆粒增強金屬基復合材料用作電子封裝材料的優勢逐漸被人們所認知，其中以碳化硅顆粒增強鋁基復合材料SiCp/Al)為代表的顆粒增強鋁基復合材料已經成為新型電子封裝材料的重要開發方向之一。
在電子元器件的工作過程中，工作溫度的升高使電子元器件失效的概率增大，因而要求電子封裝材料應該具備良好的導熱性能。因此，熱導率是電子封裝用SiCp/Al復合材料最為重要的性能指標。目前的SiCp/Al復合材料制備方法主要可以分為：(1)固態法，如粉末冶金法、熱壓法；(2)液態金屬法，如擠壓鑄造法、攪拌鑄造法、液態金屬浸滲法；(3)自生成法及其他制備方法，如自蔓延高溫合成法、放熱彌散法。其中，液態金屬法因其相對較低的成本且可進行大規模生產而具有更廣闊的應用前景。液相金屬法中的液相金屬和固相增強相之間的潤濕和附著行為起著至關重要的作用，兩相間產生的孔隙和相界面狀態對復合材料的機械性能、熱物理性能以及耐腐蝕性能都有十分直觀的影響，但是目前對液相金屬法制造復合材料的上述缺陷的研究較少，復合材料制備過程中，固態相表面和液態相差距較大，熱熔滲過程中兩相不能充分浸潤，在兩相間十分容易形成殘余氣孔、SiC顆粒與鋁基體之間容易形成微裂紋等材料缺陷，造成制備的電子元器件性能不足，制約了SiCp/Al復合材料的發展。
技術實現要素：
為解決現有技術的缺點和不足，本發明提供了一種碳化硅增強鋁基復合材料的制備方法，使得采用液相金屬法制造的復合材料固液兩相浸潤更加充分，相間氣孔率明顯減少，復合材料導熱率提高。
為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：一種碳化硅增強鋁基復合材料的制備方法，其具體步驟為：
1)初步堿洗：由于碳化硅(SiC)顆粒中含有大量的Si和SiO2夾渣，且SiC表面容易形成SiO2薄膜，影響了熱分解過程中Ir-Cu復合層的形成和附著，因此應當予以去除。由于硅和SiO2均能與強堿發生反應，但是SiC在強堿溶液中比較穩定，所以選擇強堿作為清除碳化硅顆粒中Si和SiO2的清洗劑，Si和SiO2在強堿中的反應方程式為：
Si+2OH-+H2O→SiO32-+2H2↑
SiO2+2OH-→SiO32-+H2O
首先配置物質的量濃度為2～5mol/L的強堿溶液，然后將配置好的強堿溶液加熱到60～80℃保溫，將碳化硅顆粒浸入強堿溶液中，浸泡時間為2～4小時，浸泡過程中不斷對溶液進行攪拌。堿洗完成后用自來水稀釋堿液并過濾分離碳化硅顆粒和溶液，將過濾后的碳化硅顆粒再用清水浸洗去除顆粒表面殘存的堿液，然后過濾烘干獲得堿洗后的碳化硅顆粒。
2)刻蝕：為了獲得附著力良好的Ir-Cu復合層，需要對碳化硅顆粒表面進行刻蝕，一方面可以提高顆粒表面的比表面積，從而增加Ir-Cu復合層的表面積；另一方面可以通過刻蝕提高碳化硅顆粒表面活性，暴露某些利于Ir-Cu復合層附著的晶面，使得在后續熱分解過程中，Ir-Cu復合層能夠和基體緊密附著。由于SiC顆粒在強酸強堿中都很穩定，但在HF中腐蝕較劇烈，因此選擇HF作為SiC粉的刻蝕劑，反應方程式為：
SiC+4HF＝SiF4+CH4↑
首先配置質量分數為4％～10％HF溶液，配置過程中對溶液充分攪拌，使得溶液中HF分布均勻。然后將步驟1)所得的堿洗后的碳化硅顆粒浸入配置好的HF溶液中刻蝕，刻蝕溫度為常溫，刻蝕時間為1.5～2.5h。刻蝕完成后將反應液在超聲波震蕩機中震蕩10min，使得碳化硅表面沉積的反應物充分溶解到溶液中，然后用自來水稀釋反應液并過濾分離碳化硅顆粒和溶液，將過濾后的碳化硅顆粒再用清水浸洗去除粉末表面殘存的反應液，然后過濾烘干獲得刻蝕后的碳化硅顆粒。
3)浸泡前驅體溶液：本發明所述的前驅體溶液，是指在熱分解前配置的用來合成、制備Ir-Cu復合層的化學試劑配合料，本發明選擇的前驅體溶液為氯銥酸(H2IrCl6·6H2O)溶液、乙醇和氯化銅(CuCl2)溶液的混合液。按照體積比氯銥酸溶液(其中銥質量百分含量為35％)：乙醇：氯化銅溶液(CuCl2質量分數為20％)＝1：1～2：5～10的量取氯銥酸溶液、乙醇和氯化銅溶液，并將混合液攪拌均勻；然后將步驟2)所得的刻蝕后的碳化硅顆粒浸泡在上述前驅體溶液中，攪拌5～10min。攪拌后將前驅體溶液倒出，倒出過程中避免碳化硅顆粒隨著前驅體溶液流出。然后將浸泡后的碳化硅顆粒鋪展開，均勻地平鋪在不銹鋼板上并移入烘干箱內烘干10min；烘干后的碳化硅顆粒再次浸入上述倒出來的前驅體溶液中攪拌5～10min，攪拌后再次將前驅體溶液倒出，并再次將浸泡后的碳化硅顆粒鋪展開，均勻地平鋪在不銹鋼板上移入烘干箱內烘干10min；重復以上過程共3～5次，最后一次浸泡前驅體溶液的工藝為：先攪拌5～10min，然后靜置30～60min。最后獲得表面附著前驅體相的碳化硅顆粒。
4)熱分解：將步驟3)中獲得的表面附著前驅體相的碳化硅顆粒在450～500℃的馬弗爐中熱分解1～2h，然后取出空冷至室溫，獲得表面附著Ir-Cu復合層的碳化硅顆粒。
5)無壓滲透：將步驟4)獲得的碳化硅顆粒和助滲劑按照質量比碳化硅：助滲劑為25～35：1的比例混合均勻，助滲劑的加入能夠破壞鋁合金液中的氧化膜，還能促進鋁合金液與增強相浸潤。先將混合后的粉末堆積在澆注模子內，然后將鋁硅合金在800～900℃下熔化成液態，再將液態鋁合金澆注到模子內，澆注后立即將模子轉移到800～900℃的馬弗爐中保溫0.5～1h。保溫后空冷到400℃以下后水冷至室溫。制得碳化硅增強鋁基復合材料。
優選地，所述強堿為氫氧化鈉或者氫氧化鉀。
優選地，為了使初步堿洗更加充分，在浸泡過程中，采用磁力攪拌法對溶液進行攪拌。
優選地，碳化硅顆粒的粒度為50～200μm。
優選地，為了方便分離，碳化硅和前驅體溶液的分離工序可以采用抽濾機抽濾分離。
優選地，所述助滲劑為鋁粉、鎂粉、硅粉中的其中一種。
優選地，所述鋁硅合金的成分為：Si 6.5％～13％；Fe≤0.7％；Cu≤0.3％；Mn≤0.5％；余量為Al。
優選地，可以根據所需產品的形狀設計所述澆注模子內腔體的形狀。
本發明的有益效果是：無壓滲透之前先在SiC表面形成一層Ir-Cu復合層，能有效改善增強相顆粒界面與鋁合金液相界面的附著程度，進而減少兩相間產生的孔隙，宏觀上表現為復合材料的熱導率提高。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明做進一步說明，應該理解的是，這些實施例僅用于例證的目的，絕不限制本發明的保護范圍。
實施例1
一種碳化硅增強鋁基復合材料的制備方法，其具體步驟為：
1)初步堿洗：首先配置物質的量濃度為2mol/L的強堿溶液，然后將配置好的強堿溶液加熱到60℃保溫，將碳化硅顆粒浸入強堿溶液中，浸泡時間為2h，浸泡過程中不斷對溶液進行攪拌。堿洗完成后用自來水稀釋堿液并過濾分離碳化硅顆粒和溶液，將過濾后的碳化硅顆粒再用清水浸洗去除顆粒表面殘存的堿液，然后過濾烘干獲得堿洗后的碳化硅顆粒。
2)刻蝕：首先配置質量分數為4％HF溶液，配置過程中對溶液充分攪拌，使得溶液中HF分布均勻。然后將步驟1)所得的堿洗后的碳化硅顆粒浸入配置好的HF溶液中刻蝕，刻蝕溫度為常溫，刻蝕時間為1.5h。刻蝕完成后將反應液在超聲波震蕩機中震蕩10min，使得碳化硅表面沉積的反應物充分溶解到溶液中，然后用自來水稀釋反應液并過濾分離碳化硅顆粒和溶液，將過濾后的碳化硅顆粒再用清水浸洗去除粉末表面殘存的反應液，然后過濾烘干獲得刻蝕后的碳化硅顆粒。
3)浸泡前驅體溶液：按照體積比氯銥酸溶液(其中銥質量百分含量為35％)：乙醇：氯化銅溶液(CuCl2質量分數為20％)＝1：1：5的量取氯銥酸溶液、乙醇和氯化銅溶液，并將混合液攪拌均勻；然后將步驟2)所得的刻蝕后的碳化硅顆粒浸泡在上述前驅體溶液中，攪拌5min。攪拌后將前驅體溶液倒出，倒出過程中避免碳化硅顆粒隨著前驅體溶液流出。然后將浸泡后的碳化硅顆粒鋪展開，均勻地平鋪在不銹鋼板上并移入烘干箱內烘干10min；烘干后的碳化硅顆粒再次浸入上述倒出來的前驅體溶液中攪拌5min，攪拌后再次將前驅體溶液倒出，并再次將浸泡后的碳化硅顆粒鋪展開，均勻地平鋪在不銹鋼板上移入烘干箱內烘干10min；重復以上過程共3次，最后一次浸泡前驅體溶液的工藝為：先攪拌5min，然后靜置30min。最后獲得表面附著前驅體相的碳化硅顆粒。
4)熱分解：將步驟3)中獲得的表面附著前驅體相的碳化硅顆粒在450℃的馬弗爐中熱分解1h，然后取出空冷至室溫，獲得表面附著Ir-Cu復合層的碳化硅顆粒。
5)無壓滲透：將步驟4)獲得的碳化硅顆粒和助滲劑按照質量比碳化硅：助滲劑為25：1的比例混合均勻，助滲劑的加入能夠破壞鋁合金液中的氧化膜，還能促進鋁合金液與增強相浸潤。先將混合后的粉末堆積在澆注模子內，然后將鋁硅合金在800℃下熔化成液態，再將液態鋁合金澆注到模子內，澆注后立即將模子轉移到800℃的馬弗爐中保溫0.5h。保溫后空冷到400℃以下后水冷至室溫。制得碳化硅增強鋁基復合材料。
采用激光閃射熱導儀測試復合材料的熱擴散系數，在通過換算獲得復合材料熱導率，結果如表1所示。
實施例2：
一種碳化硅增強鋁基復合材料的制備方法，其具體步驟為：
1)初步堿洗：首先配置物質的量濃度為3mol/L的強堿溶液，然后將配置好的強堿溶液加熱到70℃保溫，將碳化硅顆粒浸入強堿溶液中，浸泡時間為3小時，浸泡過程中不斷對溶液進行攪拌。堿洗完成后用自來水稀釋堿液并過濾分離碳化硅顆粒和溶液，將過濾后的碳化硅顆粒再用清水浸洗去除顆粒表面殘存的堿液，然后過濾烘干獲得堿洗后的碳化硅顆粒。
2)刻蝕：首先配置質量分數為8％HF溶液，配置過程中對溶液充分攪拌，使得溶液中HF分布均勻。然后將步驟1)所得的堿洗后的碳化硅顆粒浸入配置好的HF溶液中刻蝕，刻蝕溫度為常溫，刻蝕時間為2h。刻蝕完成后將反應液在超聲波震蕩機中震蕩10min，使得碳化硅表面沉積的反應物充分溶解到溶液中，然后用自來水稀釋反應液并過濾分離碳化硅顆粒和溶液，將過濾后的碳化硅顆粒再用清水浸洗去除粉末表面殘存的反應液，然后過濾烘干獲得刻蝕后的碳化硅顆粒。
3)浸泡前驅體溶液：按照體積比氯銥酸溶液(其中銥質量百分含量為35％)：乙醇：氯化銅溶液(CuCl2質量分數為20％)＝1：1.5：8的量取氯銥酸溶液、乙醇和氯化銅溶液，并將混合液攪拌均勻；然后將步驟2)所得的刻蝕后的碳化硅顆粒浸泡在上述前驅體溶液中，攪拌8min。攪拌后將前驅體溶液倒出，倒出過程中避免碳化硅顆粒隨著前驅體溶液流出。然后將浸泡后的碳化硅顆粒鋪展開，均勻地平鋪在不銹鋼板上并移入烘干箱內烘干10min；烘干后的碳化硅顆粒再次浸入上述倒出來的前驅體溶液中攪拌8min，攪拌后再次將前驅體溶液倒出，并再次將浸泡后的碳化硅顆粒鋪展開，均勻地平鋪在不銹鋼板上移入烘干箱內烘干10min；重復以上過程共4次，最后一次浸泡前驅體溶液的工藝為：先攪拌8min，然后靜置50min。最后獲得表面附著前驅體相的碳化硅顆粒。
4)熱分解：將步驟3)中獲得的表面附著前驅體相的碳化硅顆粒在480℃的馬弗爐中熱分解1.5h，然后取出空冷至室溫，獲得表面附著Ir-Cu復合層的碳化硅顆粒。
5)無壓滲透：將步驟4)獲得的碳化硅顆粒和助滲劑按照質量比碳化硅：助滲劑為30：1的比例混合均勻，助滲劑的加入能夠破壞鋁合金液中的氧化膜，還能促進鋁合金液與增強相浸潤。先將混合后的粉末堆積在澆注模子內，然后將鋁硅合金在850℃下熔化成液態，再將液態鋁合金澆注到模子內，澆注后立即將模子轉移到850℃的馬弗爐中保溫0.7h。保溫后空冷到400℃以下后水冷至室溫。制得碳化硅增強鋁基復合材料。
采用激光閃射熱導儀測試復合材料的熱擴散系數，在通過換算獲得復合材料熱導率，結果如表1所示。
實施例3：
一種碳化硅增強鋁基復合材料的制備方法，其具體步驟為：
1)初步堿洗：首先配置物質的量濃度為5mol/L的強堿溶液，然后將配置好的強堿溶液加熱到80℃保溫，將碳化硅顆粒浸入強堿溶液中，浸泡時間為4小時，浸泡過程中不斷對溶液進行攪拌。堿洗完成后用自來水稀釋堿液并過濾分離碳化硅顆粒和溶液，將過濾后的碳化硅顆粒再用清水浸洗去除顆粒表面殘存的堿液，然后過濾烘干獲得堿洗后的碳化硅顆粒。
2)刻蝕：首先配置質量分數為10％HF溶液，配置過程中對溶液充分攪拌，使得溶液中HF分布均勻。然后將步驟1)所得的堿洗后的碳化硅顆粒浸入配置好的HF溶液中刻蝕，刻蝕溫度為常溫，刻蝕時間為2.5h。刻蝕完成后將反應液在超聲波震蕩機中震蕩10min，使得碳化硅表面沉積的反應物充分溶解到溶液中，然后用自來水稀釋反應液并過濾分離碳化硅顆粒和溶液，將過濾后的碳化硅顆粒再用清水浸洗去除粉末表面殘存的反應液，然后過濾烘干獲得刻蝕后的碳化硅顆粒。
3)浸泡前驅體溶液：按照體積比氯銥酸溶液(其中銥質量百分含量為35％)：乙醇：氯化銅溶液(CuCl2質量分數為20％)＝1：2：10的量取氯銥酸溶液、乙醇和氯化銅溶液，并將混合液攪拌均勻；然后將步驟2)所得的刻蝕后的碳化硅顆粒浸泡在上述前驅體溶液中，攪拌10min。攪拌后將前驅體溶液倒出，倒出過程中避免碳化硅顆粒隨著前驅體溶液流出。然后將浸泡后的碳化硅顆粒鋪展開，均勻地平鋪在不銹鋼板上并移入烘干箱內烘干10min；烘干后的碳化硅顆粒再次浸入上述倒出來的前驅體溶液中攪拌10min，攪拌后再次將前驅體溶液倒出，并再次將浸泡后的碳化硅顆粒鋪展開，均勻地平鋪在不銹鋼板上移入烘干箱內烘干10min；重復以上過程共5次，最后一次浸泡前驅體溶液的工藝為：先攪拌10min，然后靜置60min。最后獲得表面附著前驅體相的碳化硅顆粒。
4)熱分解：將步驟3)中獲得的表面附著前驅體相的碳化硅顆粒在500℃的馬弗爐中熱分解2h，然后取出空冷至室溫，獲得表面附著Ir-Cu復合層的碳化硅顆粒。
5)無壓滲透：將步驟4)獲得的碳化硅顆粒和助滲劑按照質量比碳化硅：助滲劑為35：1的比例混合均勻，助滲劑的加入能夠破壞鋁合金液中的氧化膜，還能促進鋁合金液與增強相浸潤。先將混合后的粉末堆積在澆注模子內，然后將鋁硅合金在900℃下熔化成液態，再將液態鋁合金澆注到模子內，澆注后立即將模子轉移到900℃的馬弗爐中保溫1h。保溫后空冷到400℃以下后水冷至室溫。制得碳化硅增強鋁基復合材料。
采用激光閃射熱導儀測試復合材料的熱擴散系數，在通過換算獲得復合材料熱導率，結果如表1所示。
表1各實施例檢測結果一覽表
表中所述無Ir-Cu復合層對照組是指省略了本發明的步驟3)和步驟4)的對照組，也就是說，對照組1和對照組2無壓滲透所用的SiC顆粒表面沒有Ir-Cu復合層，其他工藝和實施例中所述一樣。由表1可以看出，通過熱分解法在SiC顆粒表面覆蓋一層Ir-Cu復合層，能顯著改善碳化硅增強鋁基復合材料的熱導率，這主要是因為Ir-Cu復合層的存在提高了SiC顆粒表面的活性，使得增強相更容易和鋁合金液相相浸潤，復合時兩相間的氣孔率和缺陷形成率降低，導致了熱導率的提高。