复合材料
特种铸造及有色合金 ２０１１年第３１卷第１１期
／镀Ｔ铝复合材料的热膨胀性能ｉＣ金刚石
王新宇 于家康 朱晓敏
（西北工业大学凝固技术国家重点实验室）
摘 要 采用气压浸渗法制备了金刚石体积分数为６分析了复合材料的显微组织并对热膨胀系数５％的铝基复合材料，（进行了测试，研究了镀Ｔ金刚石颗粒在铝合金基体中分布均匀，组ＣＴＥ）ｉＣ金刚石／铝复合材料的热膨胀性能。结果表明，织致密；增强了金刚石与基体间的界面结合；镀ＴＴｉＣ镀层有效地改善了金刚石颗粒与铝合金基体间选择性粘结现象，ｉＣ使复合材料热膨胀系数明显降低，而对于未镀层的复合材料则Ｔｕｒｎｅｒ模型和Ｋｅｒｎｅｒ模型的均值可以预测其热膨胀系数，可以用Ｋｅｒｎｅｒ模型进行预测。
关键词 复合材料；显微组织；镀层；热膨胀系数
（）中图分类号 ＴＢ３３３ 文献标志码 Ａ 文章编号 １００１－２２４９２０１１１１－１０４６－０４：／ＤＯＩ１０．３８７０ｔｚｚｚ．２０１１．１１．０１９
／ＴｈｅｒｍａｌＥｘａｎｓｉｏｎＢｅｈｅｖｉｏｒｏｆＴｉＣｃｏａｔｅｄＤｉａｍｏｎｄＡｌＣｏｍｏｓｉｔｅｓ － ｐｐ
，ＷａｎＸｉｎｕＹｕＪｉａｋａｎＺｈｕＸｉａｏｍｉｎ ｇｙｇ，
（，Ｎ）ＳｔａｔｅｋｅＬａｂｏｒａｔｏｒｏｆＳｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓｉｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔ ｙｙｇｙｙ ：／ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅＴｉＣｃｏａｔｅｄｄｉａｍｏｎｄＡｌｃｏｍｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈ６５％ｄｉａｍｏｎｄｉｎｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｗｅｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄ － ｐ
ｂａｓｒｅｓｓｕｒｅｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｔｈｅｒｍａｌｅｘａｎｓｉｏｎ（ＣＴＥ） ｙｇｐｐ
，，ｗｅｒｅａｎａｌｚｅｄａｎｄｍｅａｓｕｒｅｄｒｅｓｅｃｔｉｖｅｌｔｏｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｅｘａｎｓｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｔｈｅＴｉＣｃｏａ －－ｙｐｙｐ／ｔｅｄｄｉａｍｏｎｄＡｌｃｏｍｏｓｉｔｅｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｕｎｉｆｏｒｍｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｄｉａｍｏｎｄｉｎｔｈｅａｒｔｉｃｌｅｓ ｐｐＡｌａｌｌｏｗｉｔｈｃｏｍａｃｔｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃａｎｂｅｏｂｓｅｒｖｅｄ．ＴｈｅＴｉＣｃｏａｔｉｎｉｓｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｔｏｉｍｒｏｖｅｓｅｌｅｃ －ｙｐｇｐ ｔｉｖｅｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｂｏｎｄｉｎｂｅｔｗｅｅｎｄｉａｍｏｎｄａｒｔｉｃｌｅｓａｎｄＡｌａｌｌｏｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌａｎｄｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ ｇｐｙｙ ｂｏｎｄｉｎＴｈｅＣＴＥｏｆｔｈｅｃｏｍｏｓｉｔｅｓｉｓｄｅｃｒｅａｓｅｄｏｂｖｉｏｕｓｌａｓａｒｅｓｕｌｔｏｆＴｉＣｃｏａｔｉｎ．ＴｈｅＣＴＥｏｆｃｏｍ －ｇ．ｐｙｇ
，ｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈＴｉＣｃｏａｔｉｎｃａｎｂｅｒｅｄｉｃｔｅｄｂｔｈｅｍｅａｎｖａｌｕｅｏｆｔｈｅＴｕｒｎｅｒａｎｄＫｅｒｎｅｒｍｏｄｅｌｓｗｈｉｌｅｔｈｅ ｐｇｐｙ ｒｅｄｉｃｔｅｄＣＴＥｏｆｔｈｅｃｏｍｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈｏｕｔｃｏａｔｉｎｃａｎｂｅｂｔｈｅＫｅｒｎｅｒｍｏｄｅｌ． ｐｐｇｙ
：，Ｍ，，ＫｅＷｏｒｄｓＣｏｍｏｓｉｔｅｓｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅＣｏａｔｉｎＣＴＥｙｐｇ 芯片特征尺寸不断减小， 随着微电子技术的发展，
集成电路的功能密度越来越大，这些都促使电子封装技高性能和高可靠性方向发展。传统的术不断向小型化、
电子封装材料已不能满足现代先进封装技术的要求，所以开发和研制新的具备低热膨胀系数和高热导率的封
１，２］
。在目前所知的所有天装材料已经成为当务之急［
４］
。基复合材料受到广泛关注［
电子封装要求铝基复合材料的热膨胀系数与半导体芯片相匹配，因此研究金刚石／铝复合材料的热膨胀性能具有重要的意义。目前国内外对金刚石／铝复合材料的研究均以无镀层的金刚石颗粒作为增强体，因而缺乏对具有镀层的金刚石／铝复合材料热膨胀性能的研究。本课题通过气压浸渗的方法制备了镀ＴｉＣ金刚
石／铝复合材料，采用ＳＥＭ观察了试样的组织与断口测试了热膨胀系数并与Ｔ形貌，ｕｒｎｅｒ模型和Ｋｅｒｎｅｒ模型进行了对比分析。
金刚石具有最高的热导率和很低的热膨胀系然材料中，
／（，数。含氮）的热导率为６Ｉａ型金刚石（００Ｗｍ·Ｋ）／（，高纯ＩＩａ型金刚石的热导率大约为２２００Ｗｍ·Ｋ） 通过高温高压法制备的Ｉｂ型金刚石的热导率在
［３］
／（，之间（和氮含量相关）金刚１２００～２０００Ｗｍ·Ｋ） －６
·Ｋ－１的范石的热膨胀系数大约在（０．８～１．５）×１０
１ 试验材料与方法
选用ＭＢＤ４型平均粒径为７０μｍ的未镀ＴｉＣ和镀
图１中可以看到金刚石ＴｉＣ的正十四面体金刚石颗粒，
围。此外，铝合金具有高比强度、低密度和优异的综合性能，因此将金刚石颗粒作为增强体制备电子封装用铝
收稿日期：２０１１０５１９－－
）基金项目：国家自然科学基金资助项目（６０７７６０１９
，：第一作者简介：王新宇，男，硕士研究生，西北工业大学凝固国家重点实验室，西安（电话：１９８５年出生，７１００７２）０２９－８８４９４９８７，Ｅ－ｍａｉｌｗｘｏｅ＠ｙｊ
１２６．ｃｏｍ
），：通讯作者：于家康，男，教授，西北工业大学凝固国家重点实验室，西安（电话：１９６３年出生，７１００７２０２９－８８４９４９８７，Ｅ－ｍａｉｌｋｕ＠ｎｗｕ．ｅｄｕ．ｃｎｊｙｐ
１０４６
镀ＴｉＣ金刚石／铝复合材料的热膨胀性能 王新宇 等
颗粒形貌规则，颗粒大小均匀。表面镀层采用化学气相沉积法，在７５０℃和６～７Ｐａ的真空度下微镀钛３０。通过气相沉积的钛和金刚石表面碳反应生成ＴｉＣｍｉｎ
镀层。镀覆后金刚石颗粒的质量大约增加了１％，厚度其化学成为２μｍ。选用ＡｌＳｉ７Ｍｇ合金作为基体材料，
，，。分为７％的Ｓ其余为Ａｉ０．３５％的Ｍｌ
ｇ
图２ 金刚石／铝基复合材料的光学显微组织
裂方式主要以界面断裂为主。出现这种情况的主要原因是，金刚石颗粒与铝合金基体润湿性差，铝合金基体晶面上，而很难与一般只能粘附在金刚石颗粒的｛００１｝
５］
｛｝。所以铝合金基体与晶面达到很好的界面结合［１１１
增强体之间在界面处难以进行有效结合，导致界面结合６］
。严重影响复合材料的性能［强度很低，
（）未镀ＴａｉＣ（）镀ＴｂｉＣ
图１ 金刚石单晶体的正十四面体形貌
５％的 采用气压浸渗方法制备金刚石体积分数为６
铝基复合材料。预制型是镀ＴｉＣ金刚石颗粒堆积体，将其放入上炉腔内，设定上炉的温度为７铝合金５０℃，液放入下炉腔内，设定下炉温度为８然后将设备００℃，，腔内的真空度保持在０．保温２最后４ｋＰａ以下，０ｍｉｎ浸渗后的凝固时间约在１．４５ＭＰａ的压力条件下浸渗，。为３ｍｉｎ
采用光学显微镜和ＺｅｉｓｓＳＵＰＲＡ５５型扫描电镜 观察复合材料的显微组织和断口形貌；采用德国ＮＥＴＺＳＣＨ ＤＩＬ４０２Ｃ热膨胀仪测量试样的热膨胀系数，测试的试样为 测试温度６ｍｍ×２５ｍｍ的圆柱体，范围为１用流速为００～２００℃。升温速度为５℃／ｍｉｎ，
／为减少误差，在相同的条件下５０ｍＬｍｉｎ的氩气保护，用氧化铝试样校准膨胀仪。
（）未镀ＴａｉＣ
（）镀ＴｂｉＣ
图３ 金刚石／铝复合材料断口ＳＥＭ照片
可以通过在金刚石颗粒 对于这种选择性粘结现象，
／铝表面镀ＴｉＣ的方式来解决。图３ｂ是镀ＴｉＣ后金刚石复合材料的断口形貌。可以看出，铝合金基体几乎完全粘附在金刚石颗粒的全部表面，界面结合良好，断裂方式主要以基体断裂为主。这是由于ＴｉＣ镀层有效地改善了铝合金基体可以粘附在金刚石颗粒与基体间的润湿性，
｝金刚石颗粒的｛晶面上，避免了选择性粘结现象的发１１１生，从而很好地改善了复合材料的界面结合强度。２．２ 热膨胀性能
选择１００、１２５、１５０、１７５和２００℃的５个温度点测试和计算平均线膨胀系数，结果见图４。复合材料的热膨胀系数随温度的升高而增大，这主要是由于随着温度升高，铝合金基体的热膨胀系数呈上升趋势，并且增强体对基体界面的传载能力也会随之下降，从而使金刚石颗粒对铝合金基体的约束能力下降。
从图４中还可以看出，无ＴｉＣ镀层的复合材料热
－１
）膨胀系数在（而镀Ｔ６．９２～９．１６×１０－６Ｋ之间，ｉＣ层
－６ －１
的热膨胀系数在（说明４．６３～６．６４）×１０Ｋ范围内，
２ 试验结果与分析
２．１ 显微组织
由于金刚石硬度极大，难以用常规方法将金刚石／铝复合材料磨平抛光。图２是在金刚石砂纸上磨平后的复合材料的光学显微组织照片，可以看出，金刚石颗复合材料组织致密，没有明显的粒在基体中分布均匀，
气压浸渗效果良好。组织均匀和致密化颗粒偏聚现象，
有利于改善金刚石／铝复合材料的综合性能，包括提高热导率、稳定热膨胀系数等。
图３ａ为未镀ＴｉＣ金刚石／铝复合材料的断口形
貌。可以观察到，铝合金基体只粘附在金刚石颗粒的部分表面，基体与增强体之间并没有完全粘结在一起，
断
ＴｉＣ镀层对于复合材料热膨胀系数的降低起到了显著
１０４７
特种铸造及有色合金 ２０１１年第３１卷第１１期
的作用。这是因为ＴｉＣ镀层改善了复合材料中增强体与基体之间的界面结合，使金刚石颗粒对铝合金基体在热膨胀过程中的约束作用增强
。
铝合金
／℃ｔ１００ １２５ １５０ １７５ ２００
金刚石
表１ 不同温度下铝和金刚石的参数
／（１０－６·Ｋ－１）α
２２．１ ２２．２ ２２．４ ２３．５ ２３．９ ２．３
／ＫＧＰａ ６８．５ ６７．３ ６６．１ ６３．１ ５９．８ ５８０
／ＧＧＰａ２６．６２５．７２４．７２４．４２４．１３６０
ｉＣ复合材料的热膨胀系数可以通过Ｔｕｒｎｅｒ 而镀Ｔ
模型和Ｋｅｒｎｅｒ模型的均值进行预测。由于ＴｉＣ镀层
增强了复改善了金刚石颗粒与铝合金基体间的润湿性，合材料的界面结合，镀层在增强体与基体之间均匀存起到了一定的缓冲作用，从而减弱了实际界面应力，在，
图４ 热膨胀系数的试验值与计算值
降低了热膨胀系数，但与此同时，界面处的剪切应力仍镀Ｔ然会对复合材料产生很大影响。所以，ｉＣ复合材
料的热膨胀系数介于两个模型之间，并可以近似用它们的均值进行预测。
而Ｋｅｒｎｅｒ模型则比较准确的预测了未镀层金刚石／铝复合材料的热膨胀值。通常情况下，实测的热膨胀值要小于Ｋ这里主要是模型中没ｅｒｎｅｒ模型预测值，有考虑到复合材料内部残余应力对于材料热膨胀的抑制作用。但是由于未镀层的金刚石颗粒表面的界面结｝合强度不同，受力不均匀，从而导致金刚石颗粒在｛１１１｝晶面上对于铝基体受热膨胀的抑制作用没有｛晶面００１上的强，这在一定程度上增加了复合材料的热膨胀系使得实测值与理论模型的预测值更为接近。数，
复合材料的热膨胀行为比较复杂，所以热膨胀使材
７］
。在温度升高过程中，料内部产生复杂的应力分布［由
于增强体和基体的热膨胀系数不同而产生热应力，基体受到压应力而增强体受到拉应力作用，冷却时则恰好相反。对于各向同性组分构成的复合材料的热膨胀系数
［］［］
可以用Ｔｕｒｎｅｒ８和Ｋｅｒｎｅｒ９模型进行预测。
（）Ｔ如果材料１ｕｒｎｅｒ模型 在测量温度范围内，内部无内应力存在且材料协调变形，在交变温度场内，复合材料内部裂纹和空隙不发生扩展，材料内部产生的所有附加应力为压应力和拉应力，这时复合材料的热膨胀系数与各组分对应参数间的关系遵循Ｔｕｒｎｅｒ模型，其计算公式为：
αｃ＝
ＶｍＫｐＶｐｍＫｍｐ
ＫｍＶｍ＋ＫｐＶｐ
（）１
３ 结 论
（）采用气压浸渗法成功地制备出未镀Ｔ１ｉＣ与镀
金刚石颗粒在铝合金基体ＴｉＣ的金刚石／铝复合材料，
中分布均匀，没有明显的颗粒偏聚现象。（）Ｔ２ｉＣ镀层有效地消除了金刚石颗粒与铝合金基体之间的选择性粘结现象，增强了复合材料的界面结对复合材料的性能提高起到了促进作用。合强度，
（）镀Ｔ３ｉＣ的金刚石／铝复合材料的热膨胀系数低于未镀ＴｉＣ的复合材料，ＴｉＣ镀层很好地改善了复合材料的热膨胀性能，它的热膨胀系数可以通过Ｔｕｒｎｅｒ模型和Ｋ而Ｋｅｒｎｅｒ模型的均值进行预测，ｅｒｎｅｒ模型可以近似预测未镀ＴｉＣ金刚石／铝复合材料的热膨胀系数。
参 考 文 献
［１］ＢＥＮＣ．Ｍｅｔａｌｍａｔｒｉｘｃｏｍｏｓｉｔｅｓｆｏｒｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｃｋａｉｎ ＺＷＥ ｐｐｇｇ
［］（）：Ｊ．ＪＯＭ，１９９２，４４７１５２３．－
［］／铝基复合材料的触变性能王开坤，徐峰．电子封装用Ｓ２ｉＣ 马春梅，ｐ
［］（）：特种铸造及有色合金，Ｊ．２０１０，３０３２６３２６６．－
［］３ＴＯＹ．Ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｒｍａｌｒｏｅｒｔｉｅｓｏｆｄｉａ ＹＡＭＡＭＯ －ｐｐ
［］，（）：ｍｏｎｄＪ．ＤｉａｍｏｎｄａｎｄＲｅｌａｔｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ１９９７６１０５７１０６１． － ［］４ＩＴＥＫ Ａ．Ｓｏｍｅａｓｅｃｔｓｏｆｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｏｆｉｓｏｔｏｉｃａｌｌ Ｗ ｐｙｐｙ
［］ｕｒｅｄｉａｍｏｎｄａｃｏｍａｒｉｓｏｎｗｉｔｈｎｉｔｒｉｄｅｓＪ．ＤｉａｍｏｎｄａｎｄＲｅｌａｔｅｄ － ｐｐ，（）：Ｍａｔｅｒｉａｌｓ１９９８，７７９６２９６４．－
材料内部２）Ｋｅｒｎｅｒ模型 假定增强体为球形， （
晶界或相界面之间同时存在剪切应力和等静应力，则材料的热膨胀系数遵循Ｋ其计算公式为：ｅｒｎｅｒ模型，
ααα×ｃ＝αｍ－（ｍ－ｐ）
（ｍｍ）（）２（Ｋｍ（３Ｋｐ＋４Ｇｍ）Ｋｐ－Ｋｍ）ＧｍＶｐ＋４
式中，基体和增强体的热膨αααｃ、ｍ、ｐ分别为复合材料、胀系数；Ｖｍ、Ｖｐ为基体和增强体的体积分数；Ｋｍ、Ｋｐ为基体和增强体的体积模量；Ｇｍ为基体的剪切模量。
表１中列出了计算公式所用的数据，而图４中则将实测值与Ｔｕｒｎｅｒ模型和Ｋｅｒｎｅｒ模型的预测值进行了比较。通过对比这４条曲线可得出，Ｔｕｒｎｅｒ模型预测值最低，不能很好地预测复合材料的热膨胀系数。这是由于它仅考虑了材料内部每个均匀相之间的均匀应力，认为复合材料组成相中只存在等静应力，而实际上复合材料的内应力是很复杂的。另外，该模型还忽略了材料在制备过程中从高温到冷却所产生的内应力。因此，无法对复合材料的热膨胀系Ｔｕｒｎｅｒ模型预测值偏低，数进行预测。
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复合材料
特种铸造及有色合金 ２０１１年第３１卷第１１期
／ＳｉＣＺＬ１０１Ａ复合材料的磨损性能ｐ
历长云 胡玉昆 郑喜军 米国发（河南理工大学材料科学与工程学院）
摘 要 采用真空热压烧结工艺制备了Ｓ对其硬度ｉＣ颗粒体积分数分别为１０％、２０％、３０％和４０％的ＺＬ１０１Ａ复合材料，同时对其磨损机理进行了探讨。结果发现，复合材料硬度随着Ｓ与室温干摩擦磨损性能进行了测试分析，ｉＣｐ的增加而增／加，当Ｓ硬度达到最大值。基体Ｚ而ＳｉＣ０％时，Ｌ１０１Ａ的主要磨损机理为粘着磨损，ｉＣＺＬ１０１Ａ复合材料ｐ体积分数达到３ｐ的磨损过程是粘着磨损和磨粒磨损两种机制共同作用的结果。随着Ｓ粘着磨损所占的比例逐渐ｉＣ颗粒体积分数的增加，／降低，从而使ＳｉＣＺＬ１０１Ａ复合材料的磨损性能得以提高。ｐ关键词 复合材料；硬度；磨损性能
（）中图分类号 ＴＢ３３１ 文献标志码 Ａ 文章编号 １００１－２２４９２０１１１１－１０４９－０３：／ＤＯＩ１０．３８７０ｔｚｚｚ．２０１１．１１．０２０
／ＷｅａｒＢｅｈａｖｉｏｒｏｆＳｉＣＺＬ１０１ＡＣｏｍｏｓｉｔｅｓ ｐｐ
，ＬｉＣｈａｎｕｎ，ＨｕＹｕｋｕｎＺｈｅｎＸｉｕｎ，ＭｉＧｕｏｆａ ｇｙｇｊ
（，Ｈ）ＣｏｌｌｅｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｉｎｅｅｒｉｎｅｎａｎＰｏｌｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔ ｇｇｇｙｙ：／）ＡｂｓｔｒａｃｔＳｉＣＺＬ１０１Ａｃｏｍｏｓｉｔｅｓｗｅｒｅｒｅａｒｅｄｂｈｏｔｒｅｓｓｅｓｓｉｎｔｅｒｉｎｒｏｃｅｓｓ（ＨＰＳｗｉｔｈＳｉＣａｒ －ｐ －ｐｐｐｙｇｐｐｐ
ｔｉｃｌｅｓｏｆ１０％，２０％，３０％ａｎｄ４０％ｉｎｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｈａｒｄｎｅｓｓａｎｄｄｒｆｒｉｃｔｉｏｎａｌｗｅａｒｂｅｈａｖｉｏｒａｔ ｙ
，，ｒｏｏｍｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｗｅｒｅｍｅａｓｕｒｅｄａｎｄｔｈｅｗｅａｒｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｗａｓａｒｏａｃｈｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ ｐｐｐ，，ａｒｔｉｃｌｅｓｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｉｎｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｏｆＳｉＣｈａｒｄｎｅｓｓｏｆｔｈｅｃｏｍｏｓｉｔｅｓｉｓｉｎｃｒｅａｓｅｄａｎｄｔｈｅｍａｘ －ｐｇｐ ｉｍｕｍｈａｒｄｎｅｓｓｖａｌｕｅｃａｎｂｅｏｂｓｅｒｖｅｄｉｎｔｈｅｃｏｍｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈ３０％ＳｉＣｃｏｎｔｅｎｔ．Ｔｈｅｗｅａｒｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆ ｐ
，ｗｍａｔｒｉｘＺＬ１０１Ａａｌｌｏｉｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂａｄｈｅｓｉｏｎｗｅａｒｈｉｌｅｗｅａｒｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅｃｏｍｏｓｉｔｅｓｉｓｔｈｅ ｙｙｐ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂａｄｈｅｓｉｏｎｗｅａｒｗｉｔｈａｌｉｔｔｌｅａｂｒａｓｉｖｅｗｅａｒ．ＷｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｉｎｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｏｆＳｉＣａｒ －ｙｇｐ
，，ｔｉｃｌｅｔｈｅａｄｈｅｓｉｏｎｗｅａｒｉｓｒｅｄｕｃｅｄｗｈｉｃｈｉｓｒｅｓｏｎｓｉｂｌｅｆｏｒｔｈｅｉｍｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｗｅａｒｂｅｈａｖｉｏｒｒａｄｕａｌｌ ｐｐｇｙ ｔｈｅｃｏｍｏｓｉｔｅｓ．ｏｆ ｐ
：，，ＷＫｅＷｏｒｄｓＣｏｍｏｓｉｔｅｓＨａｒｄｎｅｓｓｅａｒＢｅｈａｖｉｏｒ ｙｐ 铝合金的抗磨性特别是抗粘着能力较 由于硬度低，
差，但是加入硬质陶瓷颗粒ＳｉＣ能明显提高材料的抗磨
１］
。与铝合金相比，损性能［ＳｉＣ颗粒增强铝基复合材料
１ 试验方法
试验原材料是平均粒度为３４μｍ的雾化ＺＬ１０１Ａ
粉体以及平均粒度为２０μｍ的高纯αＳｉＣ粉体。将体－积分数为１０％、２０％、３０％和４０％的ＳｉＣ粉体分别与再装入ＱＭ－ＺＬ１０１Ａ粉体混合后，３ＳＰ２行星式高能球
推迟了严重磨损的发生，延长了材料的使用寿命，这对／许多机械零件非常有用。基于此，对ＳｉＣＺＬ１０１Ａ复ｐ合材料的室温摩擦磨损性能进行了研究，并对其摩擦磨损机制进行了探讨。
；修改稿收到日期：收稿日期：２０１１０７１８２０１１０９０５－－－－
）基金项目：河南省教育厅资助项目（２０１１Ａ４３００１４
：，，，，，：第一作者简介历长云女１河南焦作（电话：９７８年出生副教授河南理工大学材料科学与工程学院，４５４０００）０３９１－３９８７４７７，Ｅ－ｍａｉｌｌｕｃ１２２６＠ｙ
ｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎｐ
［］５ＣＨ Ｐ Ｗ，ＢＥＦＦＯＲＴＯ，ＫＬＥＩＮＥＲＳ．Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｂｏｎｄ ＲＵ －
（）ｉｎｉｎＡｌＳｉｄｉａｍｏｎｄｃｏｍｏｓｉｔｅｓａｎｄｉｔｓｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃ － －ｇｐ ［］，（）：ｔｉｖｉｔＪ．ＣｏｍｏｓｉｔｅｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏ２００６，６６１５２６７７ －ｙｐｇｙ２６８５．
［］廖恒成，潘冶．颗粒增强金属基复合材料的制备技术和界６ 孙国雄，
］（）：面反应与控制［Ｊ．特种铸造及有色合金，１９９８４１２１７．－［］陈国钦，武高辉，等．含高体积分数Ｓ７ｉＣ 张强，ｐ的铝基复合材料制备
］（）：与性能［中国有色金属学报，Ｊ．２００３，１３５１１８０１１８３． －
［８］ＥＲＰＳ．Ｔｈｅｒｍａｌｅｘａｎｓｉｏｎｓｔｒｅｓｓｅｓｉｎｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｌａｓｔｉｃｓ ＴＵＲＮ － ｐｐ
［］，Ｊ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＢｕｒｅａｕｏｆＳｔｏｎｄａｒｄｓ （）：１９４６，３７１２２３９２４５．－－
［］９ＥＲＮＥＲＥ Ｈ．Ｔｈｅｅｌａｓｔｉｃａｎｄｔｈｅｒｍｏｅｌａｓｔｉｃｒｏｅｒｔｉｅｓｏｆｃｏｍ－ Ｋ － ｐｐ
［］，ｏｓｉｔｅｍｅｄｉａＪ．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｓｏｆｔｈｅＰｈｓｉｃａｌＳｏｃｉｅｔ１９５６，６９：８０８ －ｇｙｙｐ８１３．
（编辑：刘 卫）
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复合材料
特种铸造及有色合金 ２０１１年第３１卷第１１期
／镀Ｔ铝复合材料的热膨胀性能ｉＣ金刚石
王新宇 于家康 朱晓敏
（西北工业大学凝固技术国家重点实验室）
摘 要 采用气压浸渗法制备了金刚石体积分数为６分析了复合材料的显微组织并对热膨胀系数５％的铝基复合材料，（进行了测试，研究了镀Ｔ金刚石颗粒在铝合金基体中分布均匀，组ＣＴＥ）ｉＣ金刚石／铝复合材料的热膨胀性能。结果表明，织致密；增强了金刚石与基体间的界面结合；镀ＴＴｉＣ镀层有效地改善了金刚石颗粒与铝合金基体间选择性粘结现象，ｉＣ使复合材料热膨胀系数明显降低，而对于未镀层的复合材料则Ｔｕｒｎｅｒ模型和Ｋｅｒｎｅｒ模型的均值可以预测其热膨胀系数，可以用Ｋｅｒｎｅｒ模型进行预测。
关键词 复合材料；显微组织；镀层；热膨胀系数
（）中图分类号 ＴＢ３３３ 文献标志码 Ａ 文章编号 １００１－２２４９２０１１１１－１０４６－０４：／ＤＯＩ１０．３８７０ｔｚｚｚ．２０１１．１１．０１９
／ＴｈｅｒｍａｌＥｘａｎｓｉｏｎＢｅｈｅｖｉｏｒｏｆＴｉＣｃｏａｔｅｄＤｉａｍｏｎｄＡｌＣｏｍｏｓｉｔｅｓ － ｐｐ
，ＷａｎＸｉｎｕＹｕＪｉａｋａｎＺｈｕＸｉａｏｍｉｎ ｇｙｇ，
（，Ｎ）ＳｔａｔｅｋｅＬａｂｏｒａｔｏｒｏｆＳｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓｉｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔ ｙｙｇｙｙ ：／ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅＴｉＣｃｏａｔｅｄｄｉａｍｏｎｄＡｌｃｏｍｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈ６５％ｄｉａｍｏｎｄｉｎｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｗｅｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄ － ｐ
ｂａｓｒｅｓｓｕｒｅｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｔｈｅｒｍａｌｅｘａｎｓｉｏｎ（ＣＴＥ） ｙｇｐｐ
，，ｗｅｒｅａｎａｌｚｅｄａｎｄｍｅａｓｕｒｅｄｒｅｓｅｃｔｉｖｅｌｔｏｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｅｘａｎｓｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｔｈｅＴｉＣｃｏａ －－ｙｐｙｐ／ｔｅｄｄｉａｍｏｎｄＡｌｃｏｍｏｓｉｔｅｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｕｎｉｆｏｒｍｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｄｉａｍｏｎｄｉｎｔｈｅａｒｔｉｃｌｅｓ ｐｐＡｌａｌｌｏｗｉｔｈｃｏｍａｃｔｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃａｎｂｅｏｂｓｅｒｖｅｄ．ＴｈｅＴｉＣｃｏａｔｉｎｉｓｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｔｏｉｍｒｏｖｅｓｅｌｅｃ －ｙｐｇｐ ｔｉｖｅｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｂｏｎｄｉｎｂｅｔｗｅｅｎｄｉａｍｏｎｄａｒｔｉｃｌｅｓａｎｄＡｌａｌｌｏｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌａｎｄｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ ｇｐｙｙ ｂｏｎｄｉｎＴｈｅＣＴＥｏｆｔｈｅｃｏｍｏｓｉｔｅｓｉｓｄｅｃｒｅａｓｅｄｏｂｖｉｏｕｓｌａｓａｒｅｓｕｌｔｏｆＴｉＣｃｏａｔｉｎ．ＴｈｅＣＴＥｏｆｃｏｍ －ｇ．ｐｙｇ
，ｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈＴｉＣｃｏａｔｉｎｃａｎｂｅｒｅｄｉｃｔｅｄｂｔｈｅｍｅａｎｖａｌｕｅｏｆｔｈｅＴｕｒｎｅｒａｎｄＫｅｒｎｅｒｍｏｄｅｌｓｗｈｉｌｅｔｈｅ ｐｇｐｙ ｒｅｄｉｃｔｅｄＣＴＥｏｆｔｈｅｃｏｍｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈｏｕｔｃｏａｔｉｎｃａｎｂｅｂｔｈｅＫｅｒｎｅｒｍｏｄｅｌ． ｐｐｇｙ
：，Ｍ，，ＫｅＷｏｒｄｓＣｏｍｏｓｉｔｅｓｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅＣｏａｔｉｎＣＴＥｙｐｇ 芯片特征尺寸不断减小， 随着微电子技术的发展，
集成电路的功能密度越来越大，这些都促使电子封装技高性能和高可靠性方向发展。传统的术不断向小型化、
电子封装材料已不能满足现代先进封装技术的要求，所以开发和研制新的具备低热膨胀系数和高热导率的封
１，２］
。在目前所知的所有天装材料已经成为当务之急［
４］
。基复合材料受到广泛关注［
电子封装要求铝基复合材料的热膨胀系数与半导体芯片相匹配，因此研究金刚石／铝复合材料的热膨胀性能具有重要的意义。目前国内外对金刚石／铝复合材料的研究均以无镀层的金刚石颗粒作为增强体，因而缺乏对具有镀层的金刚石／铝复合材料热膨胀性能的研究。本课题通过气压浸渗的方法制备了镀ＴｉＣ金刚
石／铝复合材料，采用ＳＥＭ观察了试样的组织与断口测试了热膨胀系数并与Ｔ形貌，ｕｒｎｅｒ模型和Ｋｅｒｎｅｒ模型进行了对比分析。
金刚石具有最高的热导率和很低的热膨胀系然材料中，
／（，数。含氮）的热导率为６Ｉａ型金刚石（００Ｗｍ·Ｋ）／（，高纯ＩＩａ型金刚石的热导率大约为２２００Ｗｍ·Ｋ） 通过高温高压法制备的Ｉｂ型金刚石的热导率在
［３］
／（，之间（和氮含量相关）金刚１２００～２０００Ｗｍ·Ｋ） －６
·Ｋ－１的范石的热膨胀系数大约在（０．８～１．５）×１０
１ 试验材料与方法
选用ＭＢＤ４型平均粒径为７０μｍ的未镀ＴｉＣ和镀
图１中可以看到金刚石ＴｉＣ的正十四面体金刚石颗粒，
围。此外，铝合金具有高比强度、低密度和优异的综合性能，因此将金刚石颗粒作为增强体制备电子封装用铝
收稿日期：２０１１０５１９－－
）基金项目：国家自然科学基金资助项目（６０７７６０１９
，：第一作者简介：王新宇，男，硕士研究生，西北工业大学凝固国家重点实验室，西安（电话：１９８５年出生，７１００７２）０２９－８８４９４９８７，Ｅ－ｍａｉｌｗｘｏｅ＠ｙｊ
１２６．ｃｏｍ
），：通讯作者：于家康，男，教授，西北工业大学凝固国家重点实验室，西安（电话：１９６３年出生，７１００７２０２９－８８４９４９８７，Ｅ－ｍａｉｌｋｕ＠ｎｗｕ．ｅｄｕ．ｃｎｊｙｐ
１０４６
镀ＴｉＣ金刚石／铝复合材料的热膨胀性能 王新宇 等
颗粒形貌规则，颗粒大小均匀。表面镀层采用化学气相沉积法，在７５０℃和６～７Ｐａ的真空度下微镀钛３０。通过气相沉积的钛和金刚石表面碳反应生成ＴｉＣｍｉｎ
镀层。镀覆后金刚石颗粒的质量大约增加了１％，厚度其化学成为２μｍ。选用ＡｌＳｉ７Ｍｇ合金作为基体材料，
，，。分为７％的Ｓ其余为Ａｉ０．３５％的Ｍｌ
ｇ
图２ 金刚石／铝基复合材料的光学显微组织
裂方式主要以界面断裂为主。出现这种情况的主要原因是，金刚石颗粒与铝合金基体润湿性差，铝合金基体晶面上，而很难与一般只能粘附在金刚石颗粒的｛００１｝
５］
｛｝。所以铝合金基体与晶面达到很好的界面结合［１１１
增强体之间在界面处难以进行有效结合，导致界面结合６］
。严重影响复合材料的性能［强度很低，
（）未镀ＴａｉＣ（）镀ＴｂｉＣ
图１ 金刚石单晶体的正十四面体形貌
５％的 采用气压浸渗方法制备金刚石体积分数为６
铝基复合材料。预制型是镀ＴｉＣ金刚石颗粒堆积体，将其放入上炉腔内，设定上炉的温度为７铝合金５０℃，液放入下炉腔内，设定下炉温度为８然后将设备００℃，，腔内的真空度保持在０．保温２最后４ｋＰａ以下，０ｍｉｎ浸渗后的凝固时间约在１．４５ＭＰａ的压力条件下浸渗，。为３ｍｉｎ
采用光学显微镜和ＺｅｉｓｓＳＵＰＲＡ５５型扫描电镜 观察复合材料的显微组织和断口形貌；采用德国ＮＥＴＺＳＣＨ ＤＩＬ４０２Ｃ热膨胀仪测量试样的热膨胀系数，测试的试样为 测试温度６ｍｍ×２５ｍｍ的圆柱体，范围为１用流速为００～２００℃。升温速度为５℃／ｍｉｎ，
／为减少误差，在相同的条件下５０ｍＬｍｉｎ的氩气保护，用氧化铝试样校准膨胀仪。
（）未镀ＴａｉＣ
（）镀ＴｂｉＣ
图３ 金刚石／铝复合材料断口ＳＥＭ照片
可以通过在金刚石颗粒 对于这种选择性粘结现象，
／铝表面镀ＴｉＣ的方式来解决。图３ｂ是镀ＴｉＣ后金刚石复合材料的断口形貌。可以看出，铝合金基体几乎完全粘附在金刚石颗粒的全部表面，界面结合良好，断裂方式主要以基体断裂为主。这是由于ＴｉＣ镀层有效地改善了铝合金基体可以粘附在金刚石颗粒与基体间的润湿性，
｝金刚石颗粒的｛晶面上，避免了选择性粘结现象的发１１１生，从而很好地改善了复合材料的界面结合强度。２．２ 热膨胀性能
选择１００、１２５、１５０、１７５和２００℃的５个温度点测试和计算平均线膨胀系数，结果见图４。复合材料的热膨胀系数随温度的升高而增大，这主要是由于随着温度升高，铝合金基体的热膨胀系数呈上升趋势，并且增强体对基体界面的传载能力也会随之下降，从而使金刚石颗粒对铝合金基体的约束能力下降。
从图４中还可以看出，无ＴｉＣ镀层的复合材料热
－１
）膨胀系数在（而镀Ｔ６．９２～９．１６×１０－６Ｋ之间，ｉＣ层
－６ －１
的热膨胀系数在（说明４．６３～６．６４）×１０Ｋ范围内，
２ 试验结果与分析
２．１ 显微组织
由于金刚石硬度极大，难以用常规方法将金刚石／铝复合材料磨平抛光。图２是在金刚石砂纸上磨平后的复合材料的光学显微组织照片，可以看出，金刚石颗复合材料组织致密，没有明显的粒在基体中分布均匀，
气压浸渗效果良好。组织均匀和致密化颗粒偏聚现象，
有利于改善金刚石／铝复合材料的综合性能，包括提高热导率、稳定热膨胀系数等。
图３ａ为未镀ＴｉＣ金刚石／铝复合材料的断口形
貌。可以观察到，铝合金基体只粘附在金刚石颗粒的部分表面，基体与增强体之间并没有完全粘结在一起，
断
ＴｉＣ镀层对于复合材料热膨胀系数的降低起到了显著
１０４７
特种铸造及有色合金 ２０１１年第３１卷第１１期
的作用。这是因为ＴｉＣ镀层改善了复合材料中增强体与基体之间的界面结合，使金刚石颗粒对铝合金基体在热膨胀过程中的约束作用增强
。
铝合金
／℃ｔ１００ １２５ １５０ １７５ ２００
金刚石
表１ 不同温度下铝和金刚石的参数
／（１０－６·Ｋ－１）α
２２．１ ２２．２ ２２．４ ２３．５ ２３．９ ２．３
／ＫＧＰａ ６８．５ ６７．３ ６６．１ ６３．１ ５９．８ ５８０
／ＧＧＰａ２６．６２５．７２４．７２４．４２４．１３６０
ｉＣ复合材料的热膨胀系数可以通过Ｔｕｒｎｅｒ 而镀Ｔ
模型和Ｋｅｒｎｅｒ模型的均值进行预测。由于ＴｉＣ镀层
增强了复改善了金刚石颗粒与铝合金基体间的润湿性，合材料的界面结合，镀层在增强体与基体之间均匀存起到了一定的缓冲作用，从而减弱了实际界面应力，在，
图４ 热膨胀系数的试验值与计算值
降低了热膨胀系数，但与此同时，界面处的剪切应力仍镀Ｔ然会对复合材料产生很大影响。所以，ｉＣ复合材
料的热膨胀系数介于两个模型之间，并可以近似用它们的均值进行预测。
而Ｋｅｒｎｅｒ模型则比较准确的预测了未镀层金刚石／铝复合材料的热膨胀值。通常情况下，实测的热膨胀值要小于Ｋ这里主要是模型中没ｅｒｎｅｒ模型预测值，有考虑到复合材料内部残余应力对于材料热膨胀的抑制作用。但是由于未镀层的金刚石颗粒表面的界面结｝合强度不同，受力不均匀，从而导致金刚石颗粒在｛１１１｝晶面上对于铝基体受热膨胀的抑制作用没有｛晶面００１上的强，这在一定程度上增加了复合材料的热膨胀系使得实测值与理论模型的预测值更为接近。数，
复合材料的热膨胀行为比较复杂，所以热膨胀使材
７］
。在温度升高过程中，料内部产生复杂的应力分布［由
于增强体和基体的热膨胀系数不同而产生热应力，基体受到压应力而增强体受到拉应力作用，冷却时则恰好相反。对于各向同性组分构成的复合材料的热膨胀系数
［］［］
可以用Ｔｕｒｎｅｒ８和Ｋｅｒｎｅｒ９模型进行预测。
（）Ｔ如果材料１ｕｒｎｅｒ模型 在测量温度范围内，内部无内应力存在且材料协调变形，在交变温度场内，复合材料内部裂纹和空隙不发生扩展，材料内部产生的所有附加应力为压应力和拉应力，这时复合材料的热膨胀系数与各组分对应参数间的关系遵循Ｔｕｒｎｅｒ模型，其计算公式为：
αｃ＝
ＶｍＫｐＶｐｍＫｍｐ
ＫｍＶｍ＋ＫｐＶｐ
（）１
３ 结 论
（）采用气压浸渗法成功地制备出未镀Ｔ１ｉＣ与镀
金刚石颗粒在铝合金基体ＴｉＣ的金刚石／铝复合材料，
中分布均匀，没有明显的颗粒偏聚现象。（）Ｔ２ｉＣ镀层有效地消除了金刚石颗粒与铝合金基体之间的选择性粘结现象，增强了复合材料的界面结对复合材料的性能提高起到了促进作用。合强度，
（）镀Ｔ３ｉＣ的金刚石／铝复合材料的热膨胀系数低于未镀ＴｉＣ的复合材料，ＴｉＣ镀层很好地改善了复合材料的热膨胀性能，它的热膨胀系数可以通过Ｔｕｒｎｅｒ模型和Ｋ而Ｋｅｒｎｅｒ模型的均值进行预测，ｅｒｎｅｒ模型可以近似预测未镀ＴｉＣ金刚石／铝复合材料的热膨胀系数。
参 考 文 献
［１］ＢＥＮＣ．Ｍｅｔａｌｍａｔｒｉｘｃｏｍｏｓｉｔｅｓｆｏｒｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｃｋａｉｎ ＺＷＥ ｐｐｇｇ
［］（）：Ｊ．ＪＯＭ，１９９２，４４７１５２３．－
［］／铝基复合材料的触变性能王开坤，徐峰．电子封装用Ｓ２ｉＣ 马春梅，ｐ
［］（）：特种铸造及有色合金，Ｊ．２０１０，３０３２６３２６６．－
［］３ＴＯＹ．Ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｒｍａｌｒｏｅｒｔｉｅｓｏｆｄｉａ ＹＡＭＡＭＯ －ｐｐ
［］，（）：ｍｏｎｄＪ．ＤｉａｍｏｎｄａｎｄＲｅｌａｔｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ１９９７６１０５７１０６１． － ［］４ＩＴＥＫ Ａ．Ｓｏｍｅａｓｅｃｔｓｏｆｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｏｆｉｓｏｔｏｉｃａｌｌ Ｗ ｐｙｐｙ
［］ｕｒｅｄｉａｍｏｎｄａｃｏｍａｒｉｓｏｎｗｉｔｈｎｉｔｒｉｄｅｓＪ．ＤｉａｍｏｎｄａｎｄＲｅｌａｔｅｄ － ｐｐ，（）：Ｍａｔｅｒｉａｌｓ１９９８，７７９６２９６４．－
材料内部２）Ｋｅｒｎｅｒ模型 假定增强体为球形， （
晶界或相界面之间同时存在剪切应力和等静应力，则材料的热膨胀系数遵循Ｋ其计算公式为：ｅｒｎｅｒ模型，
ααα×ｃ＝αｍ－（ｍ－ｐ）
（ｍｍ）（）２（Ｋｍ（３Ｋｐ＋４Ｇｍ）Ｋｐ－Ｋｍ）ＧｍＶｐ＋４
式中，基体和增强体的热膨αααｃ、ｍ、ｐ分别为复合材料、胀系数；Ｖｍ、Ｖｐ为基体和增强体的体积分数；Ｋｍ、Ｋｐ为基体和增强体的体积模量；Ｇｍ为基体的剪切模量。
表１中列出了计算公式所用的数据，而图４中则将实测值与Ｔｕｒｎｅｒ模型和Ｋｅｒｎｅｒ模型的预测值进行了比较。通过对比这４条曲线可得出，Ｔｕｒｎｅｒ模型预测值最低，不能很好地预测复合材料的热膨胀系数。这是由于它仅考虑了材料内部每个均匀相之间的均匀应力，认为复合材料组成相中只存在等静应力，而实际上复合材料的内应力是很复杂的。另外，该模型还忽略了材料在制备过程中从高温到冷却所产生的内应力。因此，无法对复合材料的热膨胀系Ｔｕｒｎｅｒ模型预测值偏低，数进行预测。
１０４８
复合材料
特种铸造及有色合金 ２０１１年第３１卷第１１期
／ＳｉＣＺＬ１０１Ａ复合材料的磨损性能ｐ
历长云 胡玉昆 郑喜军 米国发（河南理工大学材料科学与工程学院）
摘 要 采用真空热压烧结工艺制备了Ｓ对其硬度ｉＣ颗粒体积分数分别为１０％、２０％、３０％和４０％的ＺＬ１０１Ａ复合材料，同时对其磨损机理进行了探讨。结果发现，复合材料硬度随着Ｓ与室温干摩擦磨损性能进行了测试分析，ｉＣｐ的增加而增／加，当Ｓ硬度达到最大值。基体Ｚ而ＳｉＣ０％时，Ｌ１０１Ａ的主要磨损机理为粘着磨损，ｉＣＺＬ１０１Ａ复合材料ｐ体积分数达到３ｐ的磨损过程是粘着磨损和磨粒磨损两种机制共同作用的结果。随着Ｓ粘着磨损所占的比例逐渐ｉＣ颗粒体积分数的增加，／降低，从而使ＳｉＣＺＬ１０１Ａ复合材料的磨损性能得以提高。ｐ关键词 复合材料；硬度；磨损性能
（）中图分类号 ＴＢ３３１ 文献标志码 Ａ 文章编号 １００１－２２４９２０１１１１－１０４９－０３：／ＤＯＩ１０．３８７０ｔｚｚｚ．２０１１．１１．０２０
／ＷｅａｒＢｅｈａｖｉｏｒｏｆＳｉＣＺＬ１０１ＡＣｏｍｏｓｉｔｅｓ ｐｐ
，ＬｉＣｈａｎｕｎ，ＨｕＹｕｋｕｎＺｈｅｎＸｉｕｎ，ＭｉＧｕｏｆａ ｇｙｇｊ
（，Ｈ）ＣｏｌｌｅｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｉｎｅｅｒｉｎｅｎａｎＰｏｌｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔ ｇｇｇｙｙ：／）ＡｂｓｔｒａｃｔＳｉＣＺＬ１０１Ａｃｏｍｏｓｉｔｅｓｗｅｒｅｒｅａｒｅｄｂｈｏｔｒｅｓｓｅｓｓｉｎｔｅｒｉｎｒｏｃｅｓｓ（ＨＰＳｗｉｔｈＳｉＣａｒ －ｐ －ｐｐｐｙｇｐｐｐ
ｔｉｃｌｅｓｏｆ１０％，２０％，３０％ａｎｄ４０％ｉｎｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｈａｒｄｎｅｓｓａｎｄｄｒｆｒｉｃｔｉｏｎａｌｗｅａｒｂｅｈａｖｉｏｒａｔ ｙ
，，ｒｏｏｍｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｗｅｒｅｍｅａｓｕｒｅｄａｎｄｔｈｅｗｅａｒｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｗａｓａｒｏａｃｈｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ ｐｐｐ，，ａｒｔｉｃｌｅｓｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｉｎｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｏｆＳｉＣｈａｒｄｎｅｓｓｏｆｔｈｅｃｏｍｏｓｉｔｅｓｉｓｉｎｃｒｅａｓｅｄａｎｄｔｈｅｍａｘ －ｐｇｐ ｉｍｕｍｈａｒｄｎｅｓｓｖａｌｕｅｃａｎｂｅｏｂｓｅｒｖｅｄｉｎｔｈｅｃｏｍｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈ３０％ＳｉＣｃｏｎｔｅｎｔ．Ｔｈｅｗｅａｒｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆ ｐ
，ｗｍａｔｒｉｘＺＬ１０１Ａａｌｌｏｉｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂａｄｈｅｓｉｏｎｗｅａｒｈｉｌｅｗｅａｒｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅｃｏｍｏｓｉｔｅｓｉｓｔｈｅ ｙｙｐ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂａｄｈｅｓｉｏｎｗｅａｒｗｉｔｈａｌｉｔｔｌｅａｂｒａｓｉｖｅｗｅａｒ．ＷｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｉｎｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｏｆＳｉＣａｒ －ｙｇｐ
，，ｔｉｃｌｅｔｈｅａｄｈｅｓｉｏｎｗｅａｒｉｓｒｅｄｕｃｅｄｗｈｉｃｈｉｓｒｅｓｏｎｓｉｂｌｅｆｏｒｔｈｅｉｍｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｗｅａｒｂｅｈａｖｉｏｒｒａｄｕａｌｌ ｐｐｇｙ ｔｈｅｃｏｍｏｓｉｔｅｓ．ｏｆ ｐ
：，，ＷＫｅＷｏｒｄｓＣｏｍｏｓｉｔｅｓＨａｒｄｎｅｓｓｅａｒＢｅｈａｖｉｏｒ ｙｐ 铝合金的抗磨性特别是抗粘着能力较 由于硬度低，
差，但是加入硬质陶瓷颗粒ＳｉＣ能明显提高材料的抗磨
１］
。与铝合金相比，损性能［ＳｉＣ颗粒增强铝基复合材料
１ 试验方法
试验原材料是平均粒度为３４μｍ的雾化ＺＬ１０１Ａ
粉体以及平均粒度为２０μｍ的高纯αＳｉＣ粉体。将体－积分数为１０％、２０％、３０％和４０％的ＳｉＣ粉体分别与再装入ＱＭ－ＺＬ１０１Ａ粉体混合后，３ＳＰ２行星式高能球
推迟了严重磨损的发生，延长了材料的使用寿命，这对／许多机械零件非常有用。基于此，对ＳｉＣＺＬ１０１Ａ复ｐ合材料的室温摩擦磨损性能进行了研究，并对其摩擦磨损机制进行了探讨。
；修改稿收到日期：收稿日期：２０１１０７１８２０１１０９０５－－－－
）基金项目：河南省教育厅资助项目（２０１１Ａ４３００１４
：，，，，，：第一作者简介历长云女１河南焦作（电话：９７８年出生副教授河南理工大学材料科学与工程学院，４５４０００）０３９１－３９８７４７７，Ｅ－ｍａｉｌｌｕｃ１２２６＠ｙ
ｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎｐ
［］５ＣＨ Ｐ Ｗ，ＢＥＦＦＯＲＴＯ，ＫＬＥＩＮＥＲＳ．Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｂｏｎｄ ＲＵ －
（）ｉｎｉｎＡｌＳｉｄｉａｍｏｎｄｃｏｍｏｓｉｔｅｓａｎｄｉｔｓｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃ － －ｇｐ ［］，（）：ｔｉｖｉｔＪ．ＣｏｍｏｓｉｔｅｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏ２００６，６６１５２６７７ －ｙｐｇｙ２６８５．
［］廖恒成，潘冶．颗粒增强金属基复合材料的制备技术和界６ 孙国雄，
］（）：面反应与控制［Ｊ．特种铸造及有色合金，１９９８４１２１７．－［］陈国钦，武高辉，等．含高体积分数Ｓ７ｉＣ 张强，ｐ的铝基复合材料制备
］（）：与性能［中国有色金属学报，Ｊ．２００３，１３５１１８０１１８３． －
［８］ＥＲＰＳ．Ｔｈｅｒｍａｌｅｘａｎｓｉｏｎｓｔｒｅｓｓｅｓｉｎｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｌａｓｔｉｃｓ ＴＵＲＮ － ｐｐ
［］，Ｊ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＢｕｒｅａｕｏｆＳｔｏｎｄａｒｄｓ （）：１９４６，３７１２２３９２４５．－－
［］９ＥＲＮＥＲＥ Ｈ．Ｔｈｅｅｌａｓｔｉｃａｎｄｔｈｅｒｍｏｅｌａｓｔｉｃｒｏｅｒｔｉｅｓｏｆｃｏｍ－ Ｋ － ｐｐ
［］，ｏｓｉｔｅｍｅｄｉａＪ．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｓｏｆｔｈｅＰｈｓｉｃａｌＳｏｃｉｅｔ１９５６，６９：８０８ －ｇｙｙｐ８１３．
（编辑：刘 卫）
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