文 献 综 述

1.1概述

随着计算机航空电子、军事通讯等方面的迅速发展，传统的电子封装材料已满足不了这些领域进一步发展的需要。在航天航空飞行器领域使用的电子系统中，电子封装材料的减重是需解决的首要问题。高硅铝合金轻质电子封装材料的质量仅为金属基W-Cu电子封装材料的1/6，另外，高硅铝合金具有很好的热导性能，线膨胀系数可控，且能与电路板广泛使用的半导体材料相匹配，因此，作为基片衬底、机壳及盖板等材料可保证电子器件在使用过程中不致受热或开裂而过早失效。高硅铝合金电子封装材料，代表了新型轻质封装材料的发展方向。铝硅合金由于其质量轻、密度小、硬度高等优点，一直受到制造业的青睐。近年来，经过科学家们的努力，高性能铝合金的研究工作初露端倪，所谓高性能铝合金就是通过向Al-Si基体中添加各种合金元素，优化铝合金成分，采用先进的制备工艺，使普通铝合金获得出人意料的力学性能或者物理性能。目前为止，国内对高性能铝合金的研究大致分为：低硅高性能铝合金和高硅高性能铝合金。

国内外高硅铝合金材料制备工艺有熔铸法、粉末冶金烧结法、喷射沉积和溶渗法锭坯制备技术和热挤压、半固态挤压、热锻造等加工成形技术。作为低成本的材料制备工艺方法，熔铸法一直备受人们的关注，但该工艺生产的高硅铝合金中初晶Si粒子达到60～120micro;m^[1~2]，组织粗大、脆性开裂倾向大，且对于Si含量gt;26％的过共晶高硅铝合金的变质效果不十分理想。因此，目前国内外对过共晶高硅铝合金的研究大多集中在Si含量为10～25％的铝硅合金上，且重点放在变质剂对过共晶高硅铝合金变质效果的研究上^[3~5]，而很少见到过有关合金材料中Si含量高于26％的合金研究及对合金材料的加工工艺研究。当合金中的Si含量gt;26％时，由于Si含量高，变质后仍存在大量板片状的粗晶硅和针状的共晶硅，使合金材料硬而脆，后续轧制加工难度非常大。但是目前，国际已报道过的高硅铝合金中硅含量已达到70~80%之间，正是由于硅含量的提高，使整个合金的耐热性，热传导系数有了飞跃的提升。此类高性能铝合金的最大特点是热传导系数好，合金硬度较高，耐摩擦性能优良，密度很低。但是此类铝硅合金的最大缺点是由于硅含量的急剧增加，合金的导电性能却又大大恶化。所以为了达到各方面性能都大力提高，还需我们的共同努力。

1.2高硅铝合金的性质和特点

(1)质量轻：铝材的密度近似为钢材密度的三分之一，在不同合金中，其密度在2600~2800kg/m³之间变化；(2)耐腐蚀：铝合金材料具备极强的耐大气腐蚀能力，当暴露在大气中时，其表面极易形成一层及其致密的氧化膜，从而起到很好的隔离保护作用。另外铝合金材料有很强的抗硫化物腐蚀的特性，即使在高达500℃时，也具备良好的抗氧化性能和高达80%的辐射能放射率；(3)延性好：铝的延性好（ε=40%），但作为结构用材而言，其强度过低(f_0.2≈20N/mm²)。为了提高强度，一种是采用冷加工工艺，不过这一加工对强度提高不是很大(f_0.2≈100N/mm²)，而延展性却急剧降低(甚至只有原值的十分之一)。另一种提高强度的方法是铝与其它元素熔成合金(AlMg、AlMn等合金)。这样其强度以大于100N/mm²，而其延展性为ε≈10%。若应用热处理，则可以获得更高的强度。AlSiMn合金的强度可以达f_0.2≈250N/mm²，AlZn和AlCu合金的强度甚至可以达到f_0.2≈350~400N/mm^2[6]；(4)弹性模量小：铝的弹性模量约为钢材的三分之一，在不同的合金中，其弹性模量在68500~74500N/mm²之间变化。因而变形大和不稳定是常见的问题，对缺陷敏感度高；(5)热胀系数大：铝的热胀系数大约是钢材的两倍，在不同的合金中，其热胀系数在19#215;10^-6~25#215;10^-6/℃之间变化，这就意味着结构对温度变化很敏感；(6)可挤压：铝和钢之间的另一差异是铝结构构件可以用轧制、挤压、铸造和拉拔工艺制作。尤其重要的是挤压工艺，这种工艺可以提供任何形状的型材产品，特别是用轧制工艺不易获得的产品。

鉴于铝合金材料的上述特点，可以看出铝合金结构应用于以下方面较为合适：(1)活荷载比恒荷载小的大跨度屋面系统，铝合金结构屋面网架、网壳就是这种例子。(2)位于腐蚀或潮湿环境的结构，在建造游泳馆和溜冰场中铝合金结构可发挥其他金属材料不可比拟的优势。不同于其它体育场馆，游泳馆中水汽蒸发严重，特别是池水中的消毒成分蒸发后会腐蚀馆内的金属材料。如果游泳馆采用钢结构，且维护不当，势必影响整个场馆的美观和结构的强度及稳定性。相反，铝合金表面会自然形成氧化层，可以很好地抵御这些物质的侵蚀，保护场馆的结构，让其安全正常地服役。(3)带有移动部件的结构，如活动桥等。在这种情况下，重量轻意味着使用期间耗电少。(4)位于生产车间不易到达的，特别是野外的一些特种结构物。在这种情形下，运输经济和架设容易是及其重要的。用于进行整体吊装的输电塔架就是其中一个例子。

1.3高硅铝合金的制备

(1)熔铸与包覆轧制：按理论成分准备好材料，实验所用的合金在电熔炼、扒渣、除气、精炼后加入P、Ce混合变质剂进行变质处理，变质处理后的溶液静置5~10min后进行浇注。为防止材料在后续轧制时开裂，在浇注前先准备好包覆皮进行双面包覆。铸锭加热温度为490℃，保温2h，再进行热轧，锭坯从44mm轧至15.5mm热轧总变形量为64.8%。420℃退火后，再冷轧至7.6mm，变形量为51%^[7-8]。

(2)喷射沉积与热挤压：将配制好的Al、Si合金在感应炉中加热熔化、精炼、脱气，金属液经漏嘴流入喷雾装置中，在氮气保护下，被高压气体破碎后的金属液滴直接喷到已准备好的旋转的基板上，喷射距离约300mm。喷射沉积锭坯经退火后，机加工成φ195mm#215;200mm的圆柱。圆锭加热到490℃，保温3h，在2500t的挤压机上进行挤压，挤压比为10.3(挤压筒直径为208mm，挤出型材尺寸为30mm#215;110mm)^[9-11]。

(3)粉末包套热挤压：将配制好的Al-Si合金在感应炉中加热熔化、精炼、脱气，金属液流经漏嘴流入喷雾装置中，被高压气体破碎后的金属液滴直接喷入距离喷嘴约200mm的高压水流中，经冷却后，Al-Si粉末浆料流经筛网，过滤掉粗大的金属及杂物，流入高速旋转的甩干机中进行脱水处理，经烘干、过筛制得实验所需粉末。粉末经初装、振实装入特制的纯铝包套内，真空除气后，封闭焊合包套。

不同制备方法的相组织

(a-熔铸法 b-真空包套热挤压法 c-喷射沉积法)

1.4高硅铝合金的应用

（1）航空航天与兵器工业：航空航天及兵器工业是铝合金厚板及超厚板的重要应用领域，主要用于制造高强度、高抗应力腐蚀和剥落腐蚀、高断裂韧性的结构件，如飞机机身框、机翼壁机、隔框、翼梁、翼肋、起落架支撑零件等。如A330/A340飞机上结构件的78%是铝合金材料，其中50%为厚板，13%为薄板材，10%为挤压件，5%为锻件。这些材料一般为硬铝及超硬铝，规格为 (5mm~150mm)#215; (1000mm~3500mm)#215; (600mm~12000mm)，其中少量厚度为220mm左右。此外，铝合金厚板在新一代航天飞行器和武器装备上正得到越来越广泛的应用。由于涉密和用量较少，高强铝合金厚板在航天工业和军事工业上应用的报道很少高性能铝合金厚板作为主要承力构件，其使用比例占飞机上总的铝材用量的35~50%(质量比)。第二次世界大战以来，在亚音速客机上广泛使用了高强铝合金厚板和锻件。最早是在损伤关键部位使用传统的2024铝合金，在强度关键部位使用7075铝合金。铝合金的应用使飞机重量得到明显降低，上世纪40年代中期开发了一大批新型铝合金，但只有20%在飞机上获得了应用。

（2）船舶制造业：为了减轻重量，改善防腐性能，提高船速，船舶工业中的客轮及舰船铝合金厚板的用量正在逐渐增加。船舶工作环境要求结构材料应有一定的抗拉强度、屈服强度、伸长率和抗冲击等性能。船舶用铝材品种有薄板、厚板、型材、整体挤压壁板和管材。铝板的厚度在0.5mm~50mm之间，主要规格为(4~81)mm#215;(200~400)mm。例如，前苏联”吉尔吉斯坦号”远洋客轮上，铝合金上层结构，如驾驶舱、桅杆、烟囱、支索、天遮装置、水密门等，使用5.6mm和8mm厚的LF5合金板及10mm和14mm厚的LF6合金板。军舰上也广泛应用铝合金材料。油船和运送各种化学物质的驳船采用铝材做壳体是合适的。

（3）铁路运输与机车制造、公路运输及汽车制造业：目前铝合金板在机车和车辆保温车、冷藏车和高速列车的应用主要是铝合金车厢地板，厚度6mm~7rnm;铝合金车顶棚，厚度在25.5mm以下。列车提速后对列车、机车轻型化有更高的要求，新的样车都在试用铝合金。据统计，目前我国铁路系统年用铝合金厚板已超过2000t。为了解决和改善我国的交通运输，近几年来我国全面发展公路建设和汽车制造业。为提高车速和改进公路运输，同时适应轻型、节能和环保的要求，汽车制造业的铝化率在逐年提高，除汽车轮毂用铝合金铸件代替钢质轮毂外，保温车、冷藏车、运钞车、宿营车、越野车、营房车及旅游特种汽车和大客车、小客车(面包车)使用铝合金厚板的比例也在增加，主要用于车身壁板、装饰板、顶板。

1.5高硅铝合金研究与展望

综上所述，我们可以充分利用国产铝土矿资源中高硅多杂这一特点，在不降低硅含量的情况下，通过向Al-Si基合金中加入改质元素优化结构以及采用先进制备工艺等方面入手，积极探索，力求同时提高铝合金的导电性能和热稳定性，使其应用领域更加广泛。通过总结国内外先进实验工艺，提出如下获得高性能铝硅合金的设想：

（1）添加稀土元素：铝合金中的化学元素是影响其导电性能的主要因素之一，化学元素对铝合金导电性能的影响取决于元素加入量和存在形式，与化学元素本身的电导率基本无相关性。通过添加稀土元素(La、Ce等)改变晶粒形貌和晶体性能，使其进入铝的晶格或形成各类化合物，影响铝合金的相图、基体组织、凝固过程、工艺性能等，稀土合金化也会影响晶粒大小、晶粒界面、形成杂质等，因而会影响铝合金的电导率。稀土元素比较活泼，它熔于铝液中，极易填补合金相的表面缺陷，从而降低新旧两相界面上的表面张力，使得晶核生长的速度增快，同时还在晶粒与合金液之间形成表面活性膜，阻止生成的晶粒长大，使合金的组织细化。影响合金导电性能的主要因素是金属中的电子，通过添加稀土改质剂，减少大晶粒，理论上可以减小对电子的阻碍，因此硅含量大于10%的高性能铝合金理论上有获得高导电率的可能性。通过实验研究发现，稀土元素中，单一稀土如La、Ce、Y等对改善高硅铝合金的导电性效果比较大，尤其是La元素可以大大细化合金晶粒，提高导电性能。Ce可用来改善力学性能，显著提高抗拉强度。而对于普通的混合稀土，由于成分不确定，添加后变质效果不稳定，不宜采用^[12~13]。

（2）先进制备工艺：目前，国内铝硅合金的产业化制造一般采用普通的熔铸浇锭，此类熔炼方法得到的高硅铝合金晶粒粗大，孔洞较多，合金致密度很差，合金的导电性能当然很差。采用先进的制备工艺通过高速冷却条件，熔体材料在极短的时间内凝固以获得结构、组织性能均良好的新材料。

a直接喷射成型 热挤压喷射成型获得的高硅铝合金的晶粒比普通熔炼方法细得多，导电性能、耐磨性能、导热性能都有较大提高。后续通过反复热挤压变形，可以使得硅铝合金致密度大大提高，强度大为提高。组织中割裂基体的粗大残余相，在后续的反复热挤压过程中被破坏，合金中一些体积较大没有溶解的过共晶铝硅化合物进一步细化，合金的导电率得到提高，而热稳定性和耐摩擦性能等也有明显提高。后续的反复热挤压过程中被破坏，合金中一些体积较大没有溶解的过共晶铝硅化合物进一步细化，合金的导电率得到提高，而热稳定性和耐摩擦性能等也有明显提高。

b雾化粉末 高能球磨熔融的液态高硅合金，在高压高速的惰性气体保护下，通过雾化喷射技术被雾化成弥散细小的液态颗粒，这些颗粒通过与气流的强烈对流换热、辐射散热，沉积后形成的沉积坯体与水冷基底导热，使得沉积材料获得很高的冷却速度，从而得到第二相细小弥散分布均匀的硅铝合金材料。收集雾化颗粒，放入高能球磨机中，通过改变球磨时间，球料比，球磨温度等参数条件，充分细化铝硅合金晶粒。由于研磨程中机械能不断地传递给粉末颗粒，将促进合金原子扩散，改善界面结合状况，降低界面对传热声子或电子的阻碍作用，从而提高材料热导率及电导率。

c原位生成法高硅铝合金中，铝基体中由于硅元素的大量溶解，导致铝原子晶格畸变很大，所以高硅铝合金的导电率不高。将高硅稀土铝合金通过雾化喷粉工艺方式制成微粒，进行高能球磨，同时加入能够与Al、Si元素形成高导电率金属间化合物的Ti、Mg等元素，可提高材料的导电性。

研制此类高性能铝合金是从我国的国情出发，充分利用我国铝土矿品位低、硅含量高、不易除杂的这一特点，在不降低硅含量的情况下，通过改变制备工艺和添加改质剂来提高铝合金的导电性能，使其满足工业电缆的指标要求。现在我国和世界经济发达国家的电力工业都对大容量导线给予了非常大的关注。而高硅含量的高性能铝合金正好能很好的解决这一问题，在不降低硅含量的基础上，通过喷射成型技术细化晶粒尺寸，提高导电率，降低电工纯铝的电阻率，可相应减少能量损耗，并且铝硅合金低廉的价格也肯定会受到各大电气集团的青睐^[14~15]。另外，电话、电缆、室内电线等既要求高的电导率，又需要具有塑性和一定的力学强度，而此类高性能铝合金中硅含量较高(20%左右)，故能满足这些要求。此类铝合金具有高强度，使用寿命长等优点，所以在一些大跨越、人迹难至的高山高寒地带，以及变电站等需大电流供电等场合下可以使用此类高性能铝合金，而且由于此类合金良好的耐热性以及耐磨性，此类导线的抗风雪抗冰挂能力也很显著。目前，贵州，广西等部分省市已有此类铝合金线路投入运行，经受了台风、盐雾、微震以及覆冰等恶劣条件的考验，充分显示了稀土、铝应用在电线电缆中的强大生命力和广阔的前景^[16~17]。

最后，高强度、高电导率铝合金的使用将节约大量有色金属及导电管支柱绝缘子，降低工程造价。因为以铝代铜，可取得相当大的经济效益，尽管铝与铜的价值差不多，但是高硅铝合金中含硅较高，相应的减少了铝的用量，因此经济效益明显。此外，作为导体材料，纯铝具有某些特别有意义的性质，即重量轻，耐腐蚀，电导率高以及易于回收等。所以这种同时具有高导电性、高强度、良好电热性能的高硅高性能铝合金的市场前景将是不可估量的。

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