[发明专利]一种高体分碳化硅增强铝基复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明一种高体分碳化硅增强铝基复合材料及其制备方法和应用，目的在于稳定地制造高致密度、高热导率的铝碳化硅复合材料，特别是适用于要求对复合材料进行精细加工且在其表面直接进行金属化镀层等各种功能化处理的铝碳化硅复合体。本发明制造方法是将铝为主要成分的金属液通过无压或者低压法浸渗在多孔碳化硅成形体中而获得复合体，该制造方法的特征在于，多孔碳化硅预制体是通过低温热处理后，再经多次酸碱处理后进行湿法沉积铜组分而获得；且铝液经过加入铈进行成分改性。本发明方法提高了陶瓷和金属相的润湿性，同时可以细化金属相晶粒，有益于提高材料的致密度、强度和热导率，材料可加工性提高。

技术领域

本发明属于新材料制备技术领域，特别涉及一种高体分碳化硅增强铝基复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

铝碳化硅复合材料具有高的强度、弹性模量和热导率，良好的耐磨性和可调节的热膨胀系数，可应用于电子封装、航天航空、军工和汽车等领域。

区别于传统粉末冶金法，应用于大功率IGBT的高体分铝碳化硅基板或热沉基板主要依靠压力浸渗法获得，该法工序复杂、设备昂贵，且危险性大，同时获得的复合材料内部应力大，造成产品容易变形和加工难的弊端。低压法和无压法是近年来追求的较理想的工艺方法，这两种方法的关键是解决铝和碳化硅陶瓷颗粒间润湿性难题，提高二者之间的润湿性，有利于得到高的致密度，进而获得高强度和高热导率的复合材料。良好的润湿性还能提高复合材料的可加工性，防止碳化硅颗粒在加工过程中脱落，保证加工表面精度，同时良好的润湿性能促进表面金属化镀层的均匀性，降低了后期表面功能化处理的难度，是理想的热沉材料。

解决碳化硅颗粒和铝液之间润湿性的常用方法是对碳化硅颗粒进行预氧化，但是氧化层过厚导致两相界面厚度增加进而对复合材料性能不利，过薄则不能起到增加润湿性的效果；公知的，氧化层的存在增加了复合材料的界面热阻，同时不同粒径和形状的颗粒氧化状态不同，非常不利于颗粒级配方案制备多孔碳化硅陶瓷的实施。

发明内容

为了解决润湿性的难题，本发明提出了一种高体分碳化硅增强铝基复合材料及其制备方法和应用，本发明方法提高两相润湿性的目的，去除了两相界面热阻层，还可以细化金属相晶粒，有益于提高材料强度和热导率。

本发明所采用的技术方案是：

一种高体分碳化硅增强铝基复合材料制备方法，包括以下步骤：

碳化硅粉体级配后分散于硅溶胶中，混合均匀后干燥得到干燥粉体；加入造孔剂和干燥粉体混合均匀后，压制得到碳化硅毛坯，毛坯于800-1000℃下充分热处理；之后随炉冷却得到多孔碳化硅；

将多孔碳化硅用丙酮浸泡，再用氢氟酸和柠檬酸活化处理，最后用含Cu²⁺的水溶液进行湿法沉积，得到铜改性的多孔陶瓷；

铝液700-750℃下用精炼剂除渣后加入质量百分数0.3-0.5％的铈进行熔炼得到含有铈的铝液；

将多孔陶瓷在700-750℃，氮气气氛下进行浸渗含有铈的铝液；铝液浸渗在陶瓷预制体骨架中，浸渗完毕后快速把工装从浸渗炉中取出，在空气中快速冷却，得到高致密的铝碳化硅复合材料。

作为本发明的进一步改进，用于级配的碳化硅粉体的粒径为20-200μm；硅溶胶的固含量为10-20％；

干燥得到干燥粉体的温度为80-100℃。

作为本发明的进一步改进，碳化硅陶瓷热处理的升温速率满足：＜600℃时，1-3℃/min，＞600℃，3-5℃/min；充分热处理时间为1-3h。

作为本发明的进一步改进，多孔碳化硅的气孔率为30-45％，强度≥3MPa。

作为本发明的进一步改进，多孔陶瓷用丙酮浸泡5-10分钟，其次用浓度2-5％的氢氟酸处理30-60s，再用5-8％柠檬酸活化处理1-3min。