一种AlSiC复合材料及其制备方法、一种镀镍AlSiC复合材料

技术领域

本发明属金属基复合材料研究领域，尤其涉及一种AlSiC复合材料及其成型工艺。

背景技术

AlSiC（铝碳化硅）复合材料具有低热膨胀系数、高热导率、高强度以及良好的耐磨性能的优点，已经被用作大功率模块的底座和热沉、印刷电路板的板芯、微处理器盖板、电子器件底盘和封装壳体等，显示出巨大的开发应用潜力。然而，由于AlSiC复合材料中SiC颗粒体积分数较高，其焊接性能较差，且在焊接过程中容易发生氧化，对保护气体纯度要求较高。由于AlSiC复合材料表面材料的差异，存在SiC、Al两相，给化学镀带来了困难，困难在于难以形成均匀、平整的镀层。

现有技术中用SiC（碳化硅）粉体制备生坯，排胶，预烧，然后渗铝，最后在材料表面镀镍。由于复合材料表面材料的差异，存在SiC、Al两相，化学镀时难以形成均匀、平整的镀层。

发明内容

为解决复合材料表面材料SiC、Al两相的差异导致化学镀时难以形成均匀、平整的镀层的问题，本发明提供了一种AlSiC复合材料，使得后续化学镀镍更易操作，得到的表面化学镀镍层均一性得到大幅提高。

本发明提供了一种AlSiC复合材料，包括具有多孔结构的碳化硅载体，所述碳化硅载体的多孔内填充有铝，所述碳化硅载体表面覆盖有一层厚度为30-150μm（微米）的铝层；铝层和碳化硅载体多孔内填充有的铝基体为连续分布相。

本发明提供了一种镀镍AlSiC复合材料，它包括基材和镍层，所述基材为本发明提供的AlSiC复合材料，所述镍层设置在所述铝层上表面。

本发明所述铝层包括上表面和下表面，其中，与镍层相接触的为铝层上表面，与碳化硅多孔载体相接触的为铝层下表面。

本发明还提供了上述AlSiC复合材料制备方法，包括以下工艺步骤：1）原料配制：以碳化硅质量为基准，称取改性剂0.8-1.2wt%，分散介质8.5-14wt%，将三者直接加热、混合得到浆料；2）多孔预制体的制备：对浆料进行热压铸成型，得到生坯，对所得生坯进行排胶、预烧结，得到碳化硅多孔预制体；3）压力熔渗：采用铝合金溶液对碳化硅多孔预制体进行压力熔渗处理，得到表面具有一层厚度为30-150μm铝层的AlSiC复合材料。

本发明所述的具有多孔结构的碳化硅载体为通过本发明所述AlSiC复合材料制备方法中的步骤1）和步骤2）制备得到的碳化硅多孔预制体。

本发明的发明人通过大量实验意外地发现，当压力熔渗处理在碳化硅多孔预制体表面形成的铝层厚度为30-150μm 时，最终制备得到的AlSiC复合材料表面镀镍均一。若压力熔渗处理在碳化硅多孔预制体表面形成的铝层厚度过小，得到的AlSiC复合材料化学镀后镀层平整性无法得到改善，因而无法解决AlSiC复合材料化学镀镀层均一性良好的问题；若压力熔渗处理在碳化硅多孔预制体表面形成的铝层厚度＞150μm时，得到的AlSiC复合材料在后期的冷热冲击实验中容易出现铝层剥落，铝层相对与复合材料较大的线膨胀系数将降低产品的使用寿命。

本发明提供的一种AlSiC复合材料及其制备方法、一种镀镍AlSiC复合材料解决了AlSiC复合材料表面化学镀后化学镀层平整性的问题，使得AlSiC复合材料表面化学镀层均一性良好。

附图说明

图1为本发明AlSiC复合材料成型工艺示意图。

1为铝合金溶液，2为铝合金溶液主入口，3为石墨模具，4为进料口。

具体实施方式

本发明提供了一种AlSiC复合材料，包括具有多孔结构的碳化硅载体，所述碳化硅载体的多孔内填充有铝，所述碳化硅载体表面覆盖有一层厚度为30-150μm的铝层；铝层和碳化硅载体多孔内填充有的铝基体为连续分布相。

根据本发明，所述AlSiC复合材料表面的铝层厚度优选为50-100μm。本发明的发明人通过大量的实验，意外地发现，当AlSiC复合材料表面的铝层厚度在这个范围内时，既可保证后续化学镀镀层表面的平整性，也不会因为铝层过厚而导致其膨胀系数体现明显、致使铝层与复合材料坯体剥离。

本发明提供了一种镀镍AlSiC复合材料，它包括基材和镍层，所述基材为本发明提供的AlSiC复合材料，所述镍层设置在所述铝层上表面。根据本发明，所述铝层包括上表面和下表面，其中，与镍层相接触的为铝层上表面，与碳化硅多孔载体相接触的为铝层下表面。这种镀镍AlSiC复合材料通过用常规铝合金镀镍药水处理本发明提供的AlSiC复合材料的铝层上表面得到，这里所说的常规铝合金镀镍药水为本领域技术人员公知，可以直接通过商购获得，例如西姆莱斯公司的化学镀镍药水，德星化工（苏州）有限公司的化学镀镍药水，天津市镍铠表面处理技术公司的镀镍药水Niccol-201。

根据本发明，控制化学镀镍时间5-15min，镀镍温度45-70℃，所述镍层的厚度为2-5μm。

本发明还提供了上述AlSiC复合材料制备方法，包括以下工艺步骤：1）原料配制：以碳化硅质量为基准，称取改性剂0.8-1.2wt%，分散介质8.5-14wt%，将三者直接加热、混合得浆料；2）多孔预制体的制备：对浆料进行热压铸成型，得到生坯，对所得生坯进行排胶、预烧结，得到碳化硅多孔预制体；3）压力熔渗：采用铝合金溶液对碳化硅多孔预制体进行压力熔渗处理，得到表面具有一层厚度为30-150μm铝层的AlSiC复合材料。

根据本发明，所述铝合金溶液为本领域技术人员公知，可直接通过商购获得，例如牌号为2024-T351、5052-H112、5083-H112、6061-T651、7050-T7451、7075-T651的铝合金溶液，zl101铝合金（ZAlSi7Mg，合金代号：ZL101，标准：GB/T 1173-1995）。

根据本发明，所述改性剂为硬脂酸，所述分散介质为石蜡。石蜡作为浆料的有机份，SiC分散于其中；硬脂酸为粉体表面改性剂，对粉体进行改性，有利于提高粉体在石蜡中的填充量，从而降低后续处理时AlSiC复合材料的线膨胀系数。硬脂酸用量视粉体比表面而定，一般以碳化硅质量为基准，改性剂硬脂酸含量在0.5%-1.5wt%之间，在本发明中硬脂酸含量优选为0.8-1.2wt%。根据本发明，步骤1）所得浆料为SiC的蜡基浆料。

根据本发明，所述硬脂酸为本领域常用的硬脂酸，可直接通过商购获得，例如石家庄茂丰化工、广州福洋化工的硬脂酸产品。

本发明所用的石蜡为本领域常用的石蜡，可直接通过商购获得，例如盘锦中天石蜡化工50#、52#、54#、56#，武汉博安达的石蜡产品。

根据本发明，所述步骤1）中的加热温度为80-130℃，加热温度视SiC体积分数而定，SiC体积分数在65%左右时，加热温度为80℃即可，SiC体积分数达到75%左右时，加热温度升至130℃。

根据本发明，所述步骤2）中的热压铸成型压力为0.5-0.8MPa，热压铸成型完成后得到生坯。

根据本发明，所述步骤2）中的排胶程序为以5-10℃/min的速度升温至50℃-60℃，然后以0.2-0.5℃/min的速度升温至150℃，在150℃下保温1-3h，再以0.2-0.5℃/min的速度升温至300℃，在300℃下保温1-3h；排胶程序完成后以10℃/min的速度升温至1000-1200℃预烧结处理，预烧结时间为1-3h，得到碳化硅多孔预制体。

根据本发明，所述步骤3）中的压力熔渗在石墨模具中进行，先对整个模具腔体抽真空，然后将盛有铝合金液的容器与模具对接，在10-15MPa的压强下将铝合金液注入腔体。通过控制石墨模具预留厚度，使其厚度方向上的尺寸比制备得到的多孔预制体尺寸大30-150μm，由此来控制所得使得AlSiC复合材料表面的铝层厚度。选择石墨模具是因为铝合金液较活泼，会与大多材料发生化学反应、物理润湿，虽然石墨与Al会反应，但生成的Al₄C₃为脆性物质，压渗完成后，使用刷磨工艺即可轻易将其清除。压力熔渗时先对整个模具腔体抽真空，这样可以避免铝或铝合金进入腔体后氧化，同时抽真空可以提供一个负压以适当降低外部压力熔渗所需压力。

根据本发明，所述SiC为本领域中常用的SiC，可直接通过商购获得，例如北京微纳公司的W5、W14、W28产品，郑州立德的SiC产品。 

在复合材料表面镀覆一层金属保护层，其表面覆盖的金属层要与复合材料基体结合牢固，其自身又必须具有耐高温、抗氧化等特性，还要与焊料润湿性良好。从而使得在SiC/Al表面化学沉积Ni镀层的方法得到广泛的应用。本发明在复合材料制备过程中即在表面生成一层平整的铝层，那么后续化学镀将是在同一物相上进行，这样可较容易制备均匀镀层。

本发明提供的一种AlSiC复合材料及其制备方法解决了AlSiC复合材料表面化学镀后化学镀层平整性问题，使得AlSiC复合材料表面化学镀镀层的均一性良好。

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明，以下实施例会更有助于说明本发明，应理解，这些实施例是对本发明的进一步解释和说明，对本发明不构成任何限制。

表1：实施例1- 3的部分相应参数。

根据表1，称取相应重量的SiC、硬脂酸及石蜡，然后将称好的各组分在热压铸机中进行浆料，浆料温度如表1所述，浆料均匀后在一定压力下压铸成型（具体压力如表1所示）得到生坯。然后将所得的生坯放在电阻炉内进行排胶、预烧结处理得到碳化硅多孔预制体。制备如附图1所示的石墨模具，将上述制备得到的碳化硅多孔预制体置于模具中，对腔体抽取真空，然后进行压力熔渗：将铝合金液注入模具，控制一定的压力，得到AlSiC复合材料。接着对所得AlSiC复合材料表面磨平处理；最后，进行化学镀镍处理该表面（以常规铝合金镀镍药水在复合材料表面镀镍处理），得到产品S。排胶程序、预处理过程及压力熔渗过程的具体参数设置如下具体实施例中提及。

以下实施例中所用到的原料和装置均和上段中描述的一致。

【实施例1】

a）原料配制，具体参数见表1；

b）多孔预制体制备：将所得的生坯放在电阻炉内进行排胶、预烧结处理，排胶程序：以5℃/min的速度升温至50℃，然后以0.3℃/min的速度升温至150℃，在150℃下保温2h，再以0.2℃/min的速度升温至300℃，在300℃下保温1h。预烧结处理：排胶完成后，以10℃/min的速度升温至1100℃预烧结处理，预烧结时间为2h，得SiC多孔预制体；

c）压力熔渗：制备如附图1所示的石墨模具，控制预留厚度（厚度方向上的尺寸比多孔预制体尺寸大）30μm，将多孔预制体置于模具中，对腔体抽取真空。最后，将1000℃铝合金溶液（国内牌号为6061-T651）注入模具，所用压力为12MPa，得到表面有一层30μm厚铝层的AlSiC复合材料； d）化学镀镍处理复合材料表面：用铝合金镀镍药水（天津市镍铠表面处理技术公司，药水牌号：Niccol-201）在AlSiC复合材料表面镀镍处理5min，控制镀镍温度为45℃，镍层厚度为2μm，得到产品S1。

 【实施例2】

a）原料配制，具体参数见表1；

b）多孔预制体制备：将所得的生坯放在电阻炉内进行排胶、预烧结处理。排胶程序：以7℃/min的速度升温至60℃，然后以0.2℃/min的速度升温至150℃，在150℃下保温3h，再以0.5℃/min的速度升温至300℃，在300℃下保温2h。预烧结处理：排胶完成后，以10℃/min的速度升温至1000℃预烧结处理，预烧结时间为1h，得SiC多孔预制体；

c）压力熔渗：制备如附图1所示的石墨模具，控制预留厚度(厚度方向上的尺寸较多孔预制尺寸大)120μm，将多孔预制体置于模具中，对腔体抽取真空。最后，将900℃铝合金液注入模具，所用压力为15MPa，得到表面有一层120μm厚铝层的AlSiC复合材料；

d）化学镀镍处理复合材料表面：用铝合金镀镍药水（天津市镍铠表面处理技术公司，药水牌号：Niccol-201）在AlSiC复合材料表面镀镍处理5min，控制镀镍温度为45℃，镍层厚度为2μm，得到产品S2。

 【实施例3】

a）原料配制，具体参数见表1；

b）多孔预制体制备：将所得的生坯放在电阻炉内进行排胶、预烧结处理。排胶程序：以10℃/min的速度升温至55℃，然后以0.5℃/min的速度升温至150℃，在150℃下保温1h，再以0.4℃/min的速度升温至300℃，在300℃下保温3h。预烧结处理：排胶完成后，以10℃/min的速度升温至1200℃预烧结处理，预烧结时间为3h，得SiC多孔预制体；

c）压力熔渗：制备如附图1所示的石墨模具，控制模具的预留厚度（厚度方向上的尺寸较多孔预制体尺寸大）150μm，将预制体置于模具中，对腔体抽取真空。最后，将1100℃铝合金液注入模具，所用压力为10MPa，得表面有一层150μm厚铝层的AlSiC复合材料；

d）化学镀镍处理复合材料表面：用铝合金镀镍药水（天津市镍铠表面处理技术公司，药水牌号：Niccol-201）在AlSiC复合材料表面镀镍处理5min，控制镀镍温度为45℃，镍层厚度为2μm，得到产品S3。

 【实施例4】

将实施例3中的c）压力熔渗这步中的石墨模具预留厚度（厚度方向上的尺寸较多孔预制体尺寸大）改为50μm，步骤c）后得到表面有一层50μm厚铝层的AlSiC复合材料，其他均与实施例3一样，最终得到产品S4。

 【实施例5】

将实施例3中的c）压力熔渗这步中的石墨模具预留厚度（厚度方向上的尺寸较多孔预制体尺寸大）改为100μm，步骤c）后得到表面有一层100μm厚铝层的AlSiC复合材料，其他均与实施例3一样，最终得到产品S5。

 【对比例1】

本对比例用于说明采用现有技术中的方法制备AlSiC复合材料；

a）称取100g SiC（粒径为20μm）、1g SA、14g PW；在热压铸机中下浆料，浆料温度100℃，浆料均匀之后在0.7MPa的压力下压铸成生坯。将所得的生坯在电阻炉内进行排胶、预烧处理，排胶过程：以5℃/min的速度升温至50℃，然后以0.2℃/min的速度升温至150℃，在150℃下保温1h，再以0.2℃/min的速度升温至300℃，在300℃下保温1h。预烧过程：排胶完成后以10℃/min的速度升温至1000℃进行预烧处理，预烧时间为1h，得SiC多孔陶瓷预制体；

b）在N2保护气氛下，将铝合金通过熔渗、或浸渗方式渗入多孔预制体；

c）磨削残余物，得到Al-SiCp复合材料；

d）用铝合金镀镍药水（天津市镍铠表面处理技术公司，药水牌号：Niccol-201）在上述Al-SiCp复合材料表面镀镍处理5min，控制镀镍温度为45℃，镍层厚度为2μm，得到产品DS1。

 【性能测试】

将得到的产品F1-F5及G做如下性能测试：

①粗糙度测试标准（GB131-2006）

测试仪器：粗糙度仪（英国泰勒粗糙度仪）；

②热循环测试标准：ΔT=80℃，循环2000次；热循环试验后肉眼观察测试结果；测试仪器：冷热冲击试验箱；

表2：测试结果

化学镀镀层的粗糙程度关系到后续焊接面粘结力的大小、均匀性；铝层的厚度在满足化学镀层光洁、平整的前提下，不宜过厚。

由表2易得，由本发明制备得到的AlSiC复合材料产品镀层光洁性好、且化学镀镀层与复合材料表面结合强度高，表面镀镍均一。

本领域技术人员容易知道，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围由权利要求书确定。