作者：张毅
目前，对于SiCp/Cu复合材料的热膨胀性能、力学性能研究较多，而对其导热性能研究的较少。良好的导热性能有助于热量快速散失，降低表面
温度，提高电子器件的工作稳定性，延长使用寿命。本课题对SiCp/Cu复合材料的导热性进行了研究，旨在为获取高导热性SiCp/Cu复合材料提供参考。
1 试样制备与试验方法
1.1试样制备
采用粉末冶金法制备SiCp／Cu基复合材料，SiCp采用α-SiC，粉末粒径约为20 μm，纯度>99.2%。基体Cu为水雾化Cu粉，纯度≥99. 5%，颗粒直径约为10μm。
SiCp与Cu不易润湿因此要进行预处理：将SiCp颗粒放入箱式炉中1 100℃氧化处理(空气氛围，升温速度10℃／min)，保温3h后炉冷，取出氧化后的SiCp粉末经超声分散后，用40%的HF溶液在室温下酸洗搅拌3h，用纯净水清洗后过滤，经超声分散后烘干。
按照SiCp陶瓷体积分数为0、10%、20%、30%、40%、50%、60%进行配比，制备7种SiCp/Cu复合材料。采用精度为O.1mg的TG-328A型电光分析天平称量，放入行星式高能球磨机混粉30min，球磨机转速250 r/min，磨球为ф12 mm的GCr15轴承钢球，球料比为12：1。在MTS-810万能材料机上压制成生坯，压制压力为400 MPa，保压时间为120 s。在真空热压烧结炉中热压烧结，烧结温度为750oC，升温速度为50oC／min，压力为30 MPa，保温时间为20 min。
1.2试验方法
采用阿基米德法测量SiCp/Cu复合材料的密度以及孔隙率；利用JSM-5510LV型扫描电镜观察试样的显微形貌；采用LFA447型激光热导仪，激光脉冲法测试室温(25oC)下材料的热导率。闪光法测量材料热导率的原理为：
从而得到热导率：
式中，α为热扩散率，ρ为密度，cp为比热容。
2 试验结果及讨论
2.1 复合材料的显微组织
图1为不同SiCp含量的SiCp/Cu复合材料的SEM显微组织。图1中银亮色、棱角圆润的是Cu基体，黑色、棱角分明的为SiCp颗粒。从囹1可以看到，SiCp在基体Cu上分布均匀，SiCp陶瓷颗粒镶嵌在Cu基体上，Cu的粒径约为10μm，SiCp陶瓷粒径约为20μm。在750 0C、30 MPa、20 min的真空热压烧结条件下，Cu颗粒大部分仍保留着圆形，有的颗粒略有长大，部分高温软化后又凝固的Cu将整个基体连接成片状。SiCp在试验条件下变化不大，仅仅起到颗粒增强的作用。整体上来看，SiCp在金属基体上均匀分布，混粉与烧结效果良好。
2.2试样密度以及孔隙率
依据GB/T 1966-1996多孔陶瓷显气孔率、容量试验方法测试SiCp/Cu复合材料的孔隙率。试样的密度以及孔隙率变化情况见图2。从图2可以看出，随着SiCp含量的增加，SiCp/Cu复合材料的相对密度均逐渐下降：孔隙率随着SiCp的增加逐渐增大，并且在O～30%之间孔隙率基本呈现线性增大，在30%时，孔隙率为2. 7%，而到40%时，孔隙率急剧增大到6.9%。其主要原因是SiCp颗粒与Cu基体之间润湿性差，虽然进行了一定的预处理，快速烧结后，仍会导致在复合材料界面残留大量气孔以及孔洞，这一点从图3中可以看出。
此外，这种变化与试样在热压条件下的致密化机理也有关。由于SiCp是以共价键结合为主，具有非常高的熔点、硬度和极小的扩散系数；相反Cu具有较低的熔点、较低的硬度和高的扩散系数，因此在750℃、30MPa、20 min的烧结条件下，SiCp/Cu复合材料的致密化主要是由Cu的塑性变形和原子扩散而实现的，而SiCp则起到阻碍Cu的塑性变形和原子扩散的作用，其结果是试样的相对密度随着SiCp含量的增加逐渐减小，孔隙率随SiCp加入量的增加而增大。
2.3 SiCp／Cu复合材料导热性能及结果分析
2.3.1 SiCp/Cu复合材料导热性能
SiCp/Cu复合材料热导率随着SiCp体积含量变化趋势见图4。从图4可以看出，随着SiC。体积含量的增加，热导率逐渐下降，这说明热导率受SiCp含量影响很大。
当SiCp含量从O增加到30%，复合材料的热导率逐渐下降，从380.5 W／(m．K)降至255.6W／(m．K)，降幅为32. 7%，此后SiCp体积含量从30%增加到40%过程中，热导率急剧下降，由255.6W／(m．K)下降到了162.2 W／(m．K)，降幅为36. 5%，其主要原因为：①这一点与本试验中SiCp/Cu复合材料的孔隙率变化趋势一致，这也说明，复合材料内的孔隙率是影响热导率的一个至关重要的因素，孔隙（空气）的热导率很小，近似为零，认为是把传热通道隔断，因此对热导率的影响很大；②SiCp含量从40%增加到60%过程中，热导率由162.2 W／(m．K)下降到了117.1 W／(m．K)，降幅为27. 8%，热导率的降幅明显减缓。这说明SiCp含量的增加对复合材料的导热率的影响存在一个临界值，试验中SiCp含量临界值为30%。
当SiCp含量低于该值时，Cu基体中的SiCp是孤立分布的，此时由连续的Cu基体提供了畅通的导热通道，当SiCp含量高于该临界值时，大量的Cu基体提供的导热通道被截断，但是SiCp自身开始成为连续相，也可以形成畅通的导热通道，只不过由于SiCp热导率仅为60W／(m．K)，远小于Cu的热导率401 W／(m．K)，从而使SiCp/Cu复合材料热的热导率在此范围出现一个大的下滑，导热率急剧减小。因此，如果考虑要制备满足高导热的SiCp/Cu复合材料，SiCp含量应该选择在小于临界值的30%，并且尽量提高致密度，减少烧结体内的孔隙、位错等缺陷。
2.3.2试验结果分析
对于SiCp/Cu复合材料的热导率变化结果分析如下。
(1)SiCp/Cu复合材料内部缺陷 从微观上来说，金属陶瓷复合材料是依靠电子导热和声子导热的。根据微观热传导理论，热导率
其中，s为自由程；v为热运动平均速度。
也就是说导热性能与载热体的单位体积热容、运动速度和平均自由程成正比。无论是哪一种导热机制，均受到位错、晶界等缺陷的影响。热导率对材料的微观组织是非常敏感的，在复合材料中，存在着大量的位错、晶界等缺陷，所以会造成复合材料的导热情况十分复杂。
实际测得的热导率与理论值也有很大的差别，热导率的实际值随着SiCp含量的增加与理论热导率数值差别越来越大，含量为40%的复合材料热导率仅为理论值的62. 7%，其主要微观原因就是随着SiCp含量的增加，颗粒之间的间隙没有被Cu填充以及内部的位错、晶界等缺陷也急剧增多，高含量的SiCp颗粒的加入在材料中引人大量界面，对电子和声子运动具有一定的散射作用，阻碍热传导的进行-”一。
(2)基体Cu和SiCp颗粒之间的热膨胀失配 由于基体铜和SiCp颗粒之间的热膨胀失配（SiCp热膨胀系数为5. 40×10- 6/℃，Cu热膨胀系数为16.5×10 -6／℃)，从而导致冷却时在颗粒周围的基体中产生较大的内应力，即热错配应力。当热错配应力超过了基体的屈服应力时发生基体的塑性变形和热错配应力松弛，从而产生位错，进而影响复合材料的热导率。
(3)SiCp颗粒和Cu基体之间界面反应 RADO C等研究发现，SiCp颗粒和Cu基体之间存在着界面反应。在强的Cu-Si键的作用下．Si-C被破坏，生成Si和C溶人Cu中，分解出的C在Cu基体中形成导热性能极差的C层，而且Si也固溶进基体Cu中，这使基体的导热性能急剧下降，Cu的导热性能对合金元素是非常敏感的，3%左右的Si将会使基体Cu的热导率下降到不到20%，这将急剧影响材料的热导率。
3 结 论
(1) SiCp/Cu复合材料的热导率变化规律与孔隙率的变化规律一致，孔隙率是影响热导率的一个至关重要的因素。
(2)随着SiCp体积含量的增加，热导率逐渐下降。SiCp含量在30%到40%之间热导率发生急剧下降。当SiCp含量超过40%后，热导率的下降速率变缓，这是因为在临界含量之前Cu基体形成导热通道，临界体积分数之后SiCp成为连续相，形成畅通的导热通道。
(3)要获得导电性能良好的SiCp/Cu复合材料应该严格控制SiCp的体积含量在15% N30%，尽量提高致密度，减少烧结体内的位错、空隙等缺陷，可以考虑退火以及二次挤压等手段来进一步处理。
(4)复合材料内部的间隙、晶界等缺陷，基体Cu和SiCp之间的热膨胀失配以及SiCp颗粒和Cu基体之间界面反应是影响热导率的主要因素。
4摘要
利用粉末冶金法真空热压烧结制备了SiCp/Cu复合材料，利用激光脉冲法测试了室温下复合材料的导热性能。研究发现，随着SiCp体积含量的增加，热导率逐渐下降，特别是当SiCp体积分数大于30%以后热导率急剧下降。复合材料的内部缺陷、基体Cu和SiCp颗粒之间的热膨胀失配以及界面反应是影响热导率的主要微观因素。要获得良好导热性能的SiCp/Cu复合材料，应该严格控制SiCp颗粒的体积分数在15%～30%之间。尽量提高致密度，减少烧结体内的位错、空隙等缺陷。
