本发明属于金属基复合材料领域，特别涉及一种碳化硅增强铝基复合材料的制备方法。
背景技术：
随着现代电子信息技术的高速发展，电子元器件内部芯片集成度迅速提高、功率快速增大，电子器件工作所产生的热量急剧增大，对电子封装材料导热性能的需求越来越高；同时随着芯片集成度的提高，电子产品内部结构趋于复杂化、精细化，这对电子封装材料与芯片及其它半导体器件的热匹配性能要求也越来越高。近年来，颗粒增强金属基复合材料用作电子封装材料的优势逐渐被人们所认知，其中以碳化硅颗粒增强铝基复合材料SiCp/Al)为代表的颗粒增强铝基复合材料已经成为新型电子封装材料的重要开发方向之一。
在电子元器件的工作过程中，工作温度的升高使电子元器件失效的概率增大，因而要求电子封装材料应该具备良好的导热性能。因此，热导率是电子封装用SiCp/Al复合材料最为重要的性能指标。目前的SiCp/Al复合材料制备方法主要可以分为：(1)固态法，如粉末冶金法、热压法；(2)液态金属法，如挤压铸造法、搅拌铸造法、液态金属浸渗法；(3)自生成法及其他制备方法，如自蔓延高温合成法、放热弥散法。其中，液态金属法因其相对较低的成本且可进行大规模生产而具有更广阔的应用前景。液相金属法中的液相金属和固相增强相之间的润湿和附着行为起着至关重要的作用，两相间产生的孔隙和相界面状态对复合材料的机械性能、热物理性能以及耐腐蚀性能都有十分直观的影响，但是目前对液相金属法制造复合材料的上述缺陷的研究较少，复合材料制备过程中，固态相表面和液态相差距较大，热熔渗过程中两相不能充分浸润，在两相间十分容易形成残余气孔、SiC颗粒与铝基体之间容易形成微裂纹等材料缺陷，造成制备的电子元器件性能不足，制约了SiCp/Al复合材料的发展。
技术实现要素：
为解决现有技术的缺点和不足，本发明提供了一种碳化硅增强铝基复合材料的制备方法，使得采用液相金属法制造的复合材料固液两相浸润更加充分，相间气孔率明显减少，复合材料导热率提高。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种碳化硅增强铝基复合材料的制备方法，其具体步骤为：
1)初步碱洗：由于碳化硅(SiC)颗粒中含有大量的Si和SiO2夹渣，且SiC表面容易形成SiO2薄膜，影响了热分解过程中Ir-Cu复合层的形成和附着，因此应当予以去除。由于硅和SiO2均能与强碱发生反应，但是SiC在强碱溶液中比较稳定，所以选择强碱作为清除碳化硅颗粒中Si和SiO2的清洗剂，Si和SiO2在强碱中的反应方程式为：
Si+2OH-+H2O→SiO32-+2H2↑
SiO2+2OH-→SiO32-+H2O
首先配置物质的量浓度为2～5mol/L的强碱溶液，然后将配置好的强碱溶液加热到60～80℃保温，将碳化硅颗粒浸入强碱溶液中，浸泡时间为2～4小时，浸泡过程中不断对溶液进行搅拌。碱洗完成后用自来水稀释碱液并过滤分离碳化硅颗粒和溶液，将过滤后的碳化硅颗粒再用清水浸洗去除颗粒表面残存的碱液，然后过滤烘干获得碱洗后的碳化硅颗粒。
2)刻蚀：为了获得附着力良好的Ir-Cu复合层，需要对碳化硅颗粒表面进行刻蚀，一方面可以提高颗粒表面的比表面积，从而增加Ir-Cu复合层的表面积；另一方面可以通过刻蚀提高碳化硅颗粒表面活性，暴露某些利于Ir-Cu复合层附着的晶面，使得在后续热分解过程中，Ir-Cu复合层能够和基体紧密附着。由于SiC颗粒在强酸强碱中都很稳定，但在HF中腐蚀较剧烈，因此选择HF作为SiC粉的刻蚀剂，反应方程式为：
SiC+4HF＝SiF4+CH4↑
首先配置质量分数为4％～10％HF溶液，配置过程中对溶液充分搅拌，使得溶液中HF分布均匀。然后将步骤1)所得的碱洗后的碳化硅颗粒浸入配置好的HF溶液中刻蚀，刻蚀温度为常温，刻蚀时间为1.5～2.5h。刻蚀完成后将反应液在超声波震荡机中震荡10min，使得碳化硅表面沉积的反应物充分溶解到溶液中，然后用自来水稀释反应液并过滤分离碳化硅颗粒和溶液，将过滤后的碳化硅颗粒再用清水浸洗去除粉末表面残存的反应液，然后过滤烘干获得刻蚀后的碳化硅颗粒。
3)浸泡前驱体溶液：本发明所述的前驱体溶液，是指在热分解前配置的用来合成、制备Ir-Cu复合层的化学试剂配合料，本发明选择的前驱体溶液为氯铱酸(H2IrCl6·6H2O)溶液、乙醇和氯化铜(CuCl2)溶液的混合液。按照体积比氯铱酸溶液(其中铱质量百分含量为35％)：乙醇：氯化铜溶液(CuCl2质量分数为20％)＝1：1～2：5～10的量取氯铱酸溶液、乙醇和氯化铜溶液，并将混合液搅拌均匀；然后将步骤2)所得的刻蚀后的碳化硅颗粒浸泡在上述前驱体溶液中，搅拌5～10min。搅拌后将前驱体溶液倒出，倒出过程中避免碳化硅颗粒随着前驱体溶液流出。然后将浸泡后的碳化硅颗粒铺展开，均匀地平铺在不锈钢板上并移入烘干箱内烘干10min；烘干后的碳化硅颗粒再次浸入上述倒出来的前驱体溶液中搅拌5～10min，搅拌后再次将前驱体溶液倒出，并再次将浸泡后的碳化硅颗粒铺展开，均匀地平铺在不锈钢板上移入烘干箱内烘干10min；重复以上过程共3～5次，最后一次浸泡前驱体溶液的工艺为：先搅拌5～10min，然后静置30～60min。最后获得表面附着前驱体相的碳化硅颗粒。
4)热分解：将步骤3)中获得的表面附着前驱体相的碳化硅颗粒在450～500℃的马弗炉中热分解1～2h，然后取出空冷至室温，获得表面附着Ir-Cu复合层的碳化硅颗粒。
5)无压渗透：将步骤4)获得的碳化硅颗粒和助渗剂按照质量比碳化硅：助渗剂为25～35：1的比例混合均匀，助渗剂的加入能够破坏铝合金液中的氧化膜，还能促进铝合金液与增强相浸润。先将混合后的粉末堆积在浇注模子内，然后将铝硅合金在800～900℃下熔化成液态，再将液态铝合金浇注到模子内，浇注后立即将模子转移到800～900℃的马弗炉中保温0.5～1h。保温后空冷到400℃以下后水冷至室温。制得碳化硅增强铝基复合材料。
优选地，所述强碱为氢氧化钠或者氢氧化钾。
优选地，为了使初步碱洗更加充分，在浸泡过程中，采用磁力搅拌法对溶液进行搅拌。
优选地，碳化硅颗粒的粒度为50～200μm。
优选地，为了方便分离，碳化硅和前驱体溶液的分离工序可以采用抽滤机抽滤分离。
优选地，所述助渗剂为铝粉、镁粉、硅粉中的其中一种。
优选地，所述铝硅合金的成分为：Si 6.5％～13％；Fe≤0.7％；Cu≤0.3％；Mn≤0.5％；余量为Al。
优选地，可以根据所需产品的形状设计所述浇注模子内腔体的形状。
本发明的有益效果是：无压渗透之前先在SiC表面形成一层Ir-Cu复合层，能有效改善增强相颗粒界面与铝合金液相界面的附着程度，进而减少两相间产生的孔隙，宏观上表现为复合材料的热导率提高。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，应该理解的是，这些实施例仅用于例证的目的，绝不限制本发明的保护范围。
实施例1
一种碳化硅增强铝基复合材料的制备方法，其具体步骤为：
1)初步碱洗：首先配置物质的量浓度为2mol/L的强碱溶液，然后将配置好的强碱溶液加热到60℃保温，将碳化硅颗粒浸入强碱溶液中，浸泡时间为2h，浸泡过程中不断对溶液进行搅拌。碱洗完成后用自来水稀释碱液并过滤分离碳化硅颗粒和溶液，将过滤后的碳化硅颗粒再用清水浸洗去除颗粒表面残存的碱液，然后过滤烘干获得碱洗后的碳化硅颗粒。
2)刻蚀：首先配置质量分数为4％HF溶液，配置过程中对溶液充分搅拌，使得溶液中HF分布均匀。然后将步骤1)所得的碱洗后的碳化硅颗粒浸入配置好的HF溶液中刻蚀，刻蚀温度为常温，刻蚀时间为1.5h。刻蚀完成后将反应液在超声波震荡机中震荡10min，使得碳化硅表面沉积的反应物充分溶解到溶液中，然后用自来水稀释反应液并过滤分离碳化硅颗粒和溶液，将过滤后的碳化硅颗粒再用清水浸洗去除粉末表面残存的反应液，然后过滤烘干获得刻蚀后的碳化硅颗粒。
3)浸泡前驱体溶液：按照体积比氯铱酸溶液(其中铱质量百分含量为35％)：乙醇：氯化铜溶液(CuCl2质量分数为20％)＝1：1：5的量取氯铱酸溶液、乙醇和氯化铜溶液，并将混合液搅拌均匀；然后将步骤2)所得的刻蚀后的碳化硅颗粒浸泡在上述前驱体溶液中，搅拌5min。搅拌后将前驱体溶液倒出，倒出过程中避免碳化硅颗粒随着前驱体溶液流出。然后将浸泡后的碳化硅颗粒铺展开，均匀地平铺在不锈钢板上并移入烘干箱内烘干10min；烘干后的碳化硅颗粒再次浸入上述倒出来的前驱体溶液中搅拌5min，搅拌后再次将前驱体溶液倒出，并再次将浸泡后的碳化硅颗粒铺展开，均匀地平铺在不锈钢板上移入烘干箱内烘干10min；重复以上过程共3次，最后一次浸泡前驱体溶液的工艺为：先搅拌5min，然后静置30min。最后获得表面附着前驱体相的碳化硅颗粒。
4)热分解：将步骤3)中获得的表面附着前驱体相的碳化硅颗粒在450℃的马弗炉中热分解1h，然后取出空冷至室温，获得表面附着Ir-Cu复合层的碳化硅颗粒。
5)无压渗透：将步骤4)获得的碳化硅颗粒和助渗剂按照质量比碳化硅：助渗剂为25：1的比例混合均匀，助渗剂的加入能够破坏铝合金液中的氧化膜，还能促进铝合金液与增强相浸润。先将混合后的粉末堆积在浇注模子内，然后将铝硅合金在800℃下熔化成液态，再将液态铝合金浇注到模子内，浇注后立即将模子转移到800℃的马弗炉中保温0.5h。保温后空冷到400℃以下后水冷至室温。制得碳化硅增强铝基复合材料。
采用激光闪射热导仪测试复合材料的热扩散系数，在通过换算获得复合材料热导率，结果如表1所示。
实施例2：
一种碳化硅增强铝基复合材料的制备方法，其具体步骤为：
1)初步碱洗：首先配置物质的量浓度为3mol/L的强碱溶液，然后将配置好的强碱溶液加热到70℃保温，将碳化硅颗粒浸入强碱溶液中，浸泡时间为3小时，浸泡过程中不断对溶液进行搅拌。碱洗完成后用自来水稀释碱液并过滤分离碳化硅颗粒和溶液，将过滤后的碳化硅颗粒再用清水浸洗去除颗粒表面残存的碱液，然后过滤烘干获得碱洗后的碳化硅颗粒。
2)刻蚀：首先配置质量分数为8％HF溶液，配置过程中对溶液充分搅拌，使得溶液中HF分布均匀。然后将步骤1)所得的碱洗后的碳化硅颗粒浸入配置好的HF溶液中刻蚀，刻蚀温度为常温，刻蚀时间为2h。刻蚀完成后将反应液在超声波震荡机中震荡10min，使得碳化硅表面沉积的反应物充分溶解到溶液中，然后用自来水稀释反应液并过滤分离碳化硅颗粒和溶液，将过滤后的碳化硅颗粒再用清水浸洗去除粉末表面残存的反应液，然后过滤烘干获得刻蚀后的碳化硅颗粒。
3)浸泡前驱体溶液：按照体积比氯铱酸溶液(其中铱质量百分含量为35％)：乙醇：氯化铜溶液(CuCl2质量分数为20％)＝1：1.5：8的量取氯铱酸溶液、乙醇和氯化铜溶液，并将混合液搅拌均匀；然后将步骤2)所得的刻蚀后的碳化硅颗粒浸泡在上述前驱体溶液中，搅拌8min。搅拌后将前驱体溶液倒出，倒出过程中避免碳化硅颗粒随着前驱体溶液流出。然后将浸泡后的碳化硅颗粒铺展开，均匀地平铺在不锈钢板上并移入烘干箱内烘干10min；烘干后的碳化硅颗粒再次浸入上述倒出来的前驱体溶液中搅拌8min，搅拌后再次将前驱体溶液倒出，并再次将浸泡后的碳化硅颗粒铺展开，均匀地平铺在不锈钢板上移入烘干箱内烘干10min；重复以上过程共4次，最后一次浸泡前驱体溶液的工艺为：先搅拌8min，然后静置50min。最后获得表面附着前驱体相的碳化硅颗粒。
4)热分解：将步骤3)中获得的表面附着前驱体相的碳化硅颗粒在480℃的马弗炉中热分解1.5h，然后取出空冷至室温，获得表面附着Ir-Cu复合层的碳化硅颗粒。
5)无压渗透：将步骤4)获得的碳化硅颗粒和助渗剂按照质量比碳化硅：助渗剂为30：1的比例混合均匀，助渗剂的加入能够破坏铝合金液中的氧化膜，还能促进铝合金液与增强相浸润。先将混合后的粉末堆积在浇注模子内，然后将铝硅合金在850℃下熔化成液态，再将液态铝合金浇注到模子内，浇注后立即将模子转移到850℃的马弗炉中保温0.7h。保温后空冷到400℃以下后水冷至室温。制得碳化硅增强铝基复合材料。
采用激光闪射热导仪测试复合材料的热扩散系数，在通过换算获得复合材料热导率，结果如表1所示。
实施例3：
一种碳化硅增强铝基复合材料的制备方法，其具体步骤为：
1)初步碱洗：首先配置物质的量浓度为5mol/L的强碱溶液，然后将配置好的强碱溶液加热到80℃保温，将碳化硅颗粒浸入强碱溶液中，浸泡时间为4小时，浸泡过程中不断对溶液进行搅拌。碱洗完成后用自来水稀释碱液并过滤分离碳化硅颗粒和溶液，将过滤后的碳化硅颗粒再用清水浸洗去除颗粒表面残存的碱液，然后过滤烘干获得碱洗后的碳化硅颗粒。
2)刻蚀：首先配置质量分数为10％HF溶液，配置过程中对溶液充分搅拌，使得溶液中HF分布均匀。然后将步骤1)所得的碱洗后的碳化硅颗粒浸入配置好的HF溶液中刻蚀，刻蚀温度为常温，刻蚀时间为2.5h。刻蚀完成后将反应液在超声波震荡机中震荡10min，使得碳化硅表面沉积的反应物充分溶解到溶液中，然后用自来水稀释反应液并过滤分离碳化硅颗粒和溶液，将过滤后的碳化硅颗粒再用清水浸洗去除粉末表面残存的反应液，然后过滤烘干获得刻蚀后的碳化硅颗粒。
3)浸泡前驱体溶液：按照体积比氯铱酸溶液(其中铱质量百分含量为35％)：乙醇：氯化铜溶液(CuCl2质量分数为20％)＝1：2：10的量取氯铱酸溶液、乙醇和氯化铜溶液，并将混合液搅拌均匀；然后将步骤2)所得的刻蚀后的碳化硅颗粒浸泡在上述前驱体溶液中，搅拌10min。搅拌后将前驱体溶液倒出，倒出过程中避免碳化硅颗粒随着前驱体溶液流出。然后将浸泡后的碳化硅颗粒铺展开，均匀地平铺在不锈钢板上并移入烘干箱内烘干10min；烘干后的碳化硅颗粒再次浸入上述倒出来的前驱体溶液中搅拌10min，搅拌后再次将前驱体溶液倒出，并再次将浸泡后的碳化硅颗粒铺展开，均匀地平铺在不锈钢板上移入烘干箱内烘干10min；重复以上过程共5次，最后一次浸泡前驱体溶液的工艺为：先搅拌10min，然后静置60min。最后获得表面附着前驱体相的碳化硅颗粒。
4)热分解：将步骤3)中获得的表面附着前驱体相的碳化硅颗粒在500℃的马弗炉中热分解2h，然后取出空冷至室温，获得表面附着Ir-Cu复合层的碳化硅颗粒。
5)无压渗透：将步骤4)获得的碳化硅颗粒和助渗剂按照质量比碳化硅：助渗剂为35：1的比例混合均匀，助渗剂的加入能够破坏铝合金液中的氧化膜，还能促进铝合金液与增强相浸润。先将混合后的粉末堆积在浇注模子内，然后将铝硅合金在900℃下熔化成液态，再将液态铝合金浇注到模子内，浇注后立即将模子转移到900℃的马弗炉中保温1h。保温后空冷到400℃以下后水冷至室温。制得碳化硅增强铝基复合材料。
采用激光闪射热导仪测试复合材料的热扩散系数，在通过换算获得复合材料热导率，结果如表1所示。
表1各实施例检测结果一览表
表中所述无Ir-Cu复合层对照组是指省略了本发明的步骤3)和步骤4)的对照组，也就是说，对照组1和对照组2无压渗透所用的SiC颗粒表面没有Ir-Cu复合层，其他工艺和实施例中所述一样。由表1可以看出，通过热分解法在SiC颗粒表面覆盖一层Ir-Cu复合层，能显著改善碳化硅增强铝基复合材料的热导率，这主要是因为Ir-Cu复合层的存在提高了SiC颗粒表面的活性，使得增强相更容易和铝合金液相相浸润，复合时两相间的气孔率和缺陷形成率降低，导致了热导率的提高。