材料科學與工程學院論文開題報告

時間：2024-09-04 07:02:37 開題報告我要投稿

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材料科學與工程學院論文開題報告

　　隨著人們自身素質提升，報告有著舉足輕重的地位，要注意報告在寫作時具有一定的格式。我們應當如何寫報告呢？下面是小編收集整理的材料科學與工程學院論文開題報告，僅供參考，希望能夠幫助到大家。

材料科學與工程學院論文開題報告

　　一、選題依據(jù)：

　　隨著信息時代的到來，電子工業(yè)得到了迅猛發(fā)展，計算機和移動電話等產品的迅速普及，使得電子產業(yè)成為最引人注目和最具發(fā)展?jié)摿Φ漠a業(yè)之一，電子產業(yè)的發(fā)展也帶動了與之密切相關的電子封裝業(yè)的發(fā)展，其重要性越來越突出。電子封裝從早期的為芯片提供機械支撐、保護和電熱連接功能，逐漸融入到芯片制造技術和統(tǒng)集成技術之中。電子工業(yè)的發(fā)展離不開電子封裝的發(fā)展，20世紀最后二十年，隨微電子、光電子工業(yè)的巨變，為封裝技術的發(fā)展創(chuàng)造了許多機遇和挑戰(zhàn)，各種先進的封裝技術不斷涌現(xiàn)。

　　近年來， SiCp/A1復合材料發(fā)展十分迅速，特別是作為電子級功能復合材料的優(yōu)勢逐漸被人們所認識，現(xiàn)已作為新型電子封裝材料重要開發(fā)方向之一。隨著航空、大規(guī)模集成電路、軍事通訊等方面的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的電子封裝材料已經滿足不了這些領域的要求。例如:電子半導體集成度越來越高，所用的電子封裝材料要求有高的熱導率，低的線膨脹系數(shù);在航空方面，飛機起飛、導彈發(fā)射等，電子系統(tǒng)常伴隨激烈的溫度變化，所用電子封裝材料要求具有高的熱導率和低的線膨脹系數(shù)，同時其質量也是必須考慮的重要因素。而傳統(tǒng)封裝金屬材料Al、Cu的線膨脹系數(shù)都較大，同器件匹配性能差，F(xiàn)e - Ni合金熱導率低、密度大,均存在一定缺陷。而SiC顆粒增強Al基復合材料具有高熱導率、低線膨脹系數(shù)、密度小等優(yōu)點,因而用作新型電子封裝材料前景廣闊[1]。

　　SiCp/Al 復合材料是由連續(xù)狀的Al及Al合金與多形態(tài)的SiC顆粒所構成的。作為金屬基復合材料的增強物，SiC顆粒具有高模量、高硬度、低熱膨脹、高熱導率、來源廣泛、成本低廉的優(yōu)點。而作為基體材料，Al合金具有低密度(2.7g/cm3)，高熱導率，價格低廉以及熱加工容易等優(yōu)點，其缺點是熱膨脹系數(shù)較高。綜合以上因素，并考慮到電子封裝材料必須具備很低的且與基底匹配的熱膨脹系數(shù)(CTE)，高的熱導率，高剛度，低密度，及低成本等特性，將二者復合而成顆粒增強鋁基復合材料后，材料具有了Al 和SiC二者的優(yōu)點，即高熱導率、低熱膨脹系數(shù)、高強度、低密度等，這些特性幾乎代表了理想封裝材料的所有性能要求，這使得顆粒增強鋁基復合材料(SiCp/Al)成為電子封裝用金屬基復合材料中倍受矚目、研究最多、潛在應用最廣的復合材料。具體來說，這種材料的綜合性能優(yōu)點表現(xiàn)在以下幾個方面:(1)可根據(jù)所需要求進行設計;例如，通過控制 SiC的百分含量、具體合金成分、復合材料的熱處理方法可調整復合材料的熱膨脹系數(shù)和熱導率。(2)良好的力學性能，如高的比強度和比剛度。(3)具有很好的經濟價值。一方面制備方法可以沿用傳統(tǒng)的工藝方法，如鑄造工藝，最近在壓力或無壓滲透方面進展，使 SiC顆粒的百分含量顯著提高;采用合適的方法，SiCp/Al復合材料可以實現(xiàn)產品的凈成型或近凈成型。另一方面SiC顆粒(微米級)價格便宜，來源豐富。因此，對 SiCp/Al這種新型復合材料進行深入研究是很有意義的。

　　二、文獻綜述：

　　正是因為 SiCp/Al 復合材料有這些顯著的優(yōu)勢，從 80 年代開始，國外的一些研究部門投入了大量人力、物力以及財力致力于SiCp/Al復合材料的研究，并已首先在航空航天、光學、儀表等領域取得了實際的應用[2]。例如：美國下一代主力戰(zhàn)機 F-22“猛禽”上的自動駕駛儀、發(fā)電單元、抬頭顯示器、電子計數(shù)測量陣列上廣泛采用高體積分數(shù) SiCp/Al 復合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料(如包 Cu 的 Mo,W/Cu等)做封裝和熱沉構件，取得減重70%以上的顯著效果;同時因為這種材料具有的很高熱導率(一般高于 150W/m.k)，從而顯著降低電子模塊的工作溫度，提高電子設備工作的可靠性。此外國外也有采用這種電子封裝材料取代 W/Cu 合金作為相控陣雷達的封裝底座，取得減重 80%以上的驚人效果。1988年美國ACMC公司采用光學級SiCp/Al復合材料研制成超輕空間望遠鏡的主反射鏡和次反射鏡，比傳統(tǒng)的反射鏡重量減輕了 50%以上。英國航天金屬基復合材料公司(AMC)采用機械合金化法制備出高剛度、耐疲勞的SiCp/Al復合材料，成功地應用于法國Eurocopter 公司生產的新型民用直升機。同鋁合金相比，構件的剛度提高約 30%，壽命提高 5%;與鈦合金相比，構件的重量降低了25%。

　　國內在SiCp/Al復合材料的制備方法、工藝及性能等，都已有大量的研究和相關報導。如中南大學熊德贛等人通過在爐體內先抽真空降低預制件的滲透壓力，制備出用于相控陣雷達 T/R 組件封裝外殼體積分數(shù)約為65%的SiCp/Al復合材料[3]。上海交大采用真空吸鑄法也成功制備了高體積分數(shù)的SiCp/Al復合材料，其具體工藝是把預制件放入真空吸鑄爐的上室，下室放裝有Al液的坩堝,上室抽真空后下室充入高壓氮氣，使 Al 液吸入預制件中，凝固后形成復合材料[4]。武高輝等人用干壓成型法制備體積分數(shù) 70%SiC 顆粒預制塊,在 600℃壓鑄形成復合材料,其熱膨脹系數(shù)在(6.9～9.7)×10-6K-1間可調,熱導率大于110 W/m.K[5]。但投入實際應用的還較少。

　　SiCp/Al復合材料具有較高的比強度、比剛度、彈性模量、耐磨性和低的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)良的物理性能，且制造成本低，可用傳統(tǒng)的金屬加工工藝進行加工，引起了材料研究者們的極大興趣，在航空航天、軍事領域及汽車、電子儀表等行業(yè)中顯示出了巨大的應用潛力。

　　國外投入了大量財力致力于顆粒增強鋁基復合材料的研究，并已在航空航天、體育、電子等領域取得應用。如作為結構材料，SiCp/Al復合材料已被大規(guī)模應用于直升機旋翼系統(tǒng)上。美國海軍飛行動力試驗室研制成 SiCp/Al復合材料薄板，應用于新型艦載戰(zhàn)斗機上。國內從 80年代中期開始在863 計劃的支持下，經過十幾年的努力，在顆粒增強鋁基復合材料的研究方面已有了很大的提高，在材料的組織性能、復合材料界面等方面的研究工作已接近國際先進水平。國內外學者對碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的制備方法、界面、增強機制、顯微組織及其對復合材料力學性能的影響、后續(xù)加工等方面都做了大量的研究工作，SiCp/Al復合材料制備方法及 SiCp/Al基體界面的研究現(xiàn)狀及進展基本如下。

　　目前，制備SiCp/Al復合材料的方法主要有固態(tài)法、液態(tài)法及原位合成技術。

　　1 固態(tài)法

　　固態(tài)法主要指粉末冶金法，是傳統(tǒng)的制備PRMMC 工藝，其優(yōu)點是可以任意改變SiC 顆粒和Al的體積配比，能獲得不同顆粒體積含有率的復合材料，缺點是受溫度、壓力及二次加工工藝和設備的限制，不宜做過大或形狀復雜的零件，其制備成本約為基體合金的4-10 倍。

　　王曉陽[6]等采用650-690℃熱壓燒結的方法制得SiC體積分數(shù)分別為50%、55%、60%的復合材料，其中60vol%的SiCp/A1在25～100℃的平均熱膨脹系數(shù)為8.1×10-6/k，室溫熱導率為145W/(m?K)，都符合電子封裝的要求。美國Polese公司采用全自動精確壓制成近成形坯體，后燒結獲得近凈形的50%-70%SiCp/Al復合材料[7]。

　　2 液態(tài)法

　　液態(tài)法主要指鑄造法，該法成本較低，便于一次形成復雜工件，所需設備相對簡單，能適應批量生產，是近年來研究較多、發(fā)展較快的復合材料制備方法。常用的鑄造法有浸滲法(包括壓力浸滲法和自浸滲法)、離心鑄造法、機械攪拌鑄造法和擠壓鑄造法。其中，以攪拌鑄造法制備顆粒增強金屬基復合材料最有希望實現(xiàn)大規(guī)模生產。

　　3 原位合成技術

　　原位合成技術是近幾年新發(fā)展起來的一種制備復合材料的方法[8]。其基本原理是在一定條件下通過元素之間或元素與化合物之間的化學反應，在金屬基體內原位生成一種或幾種高硬度、高彈性模萬方數(shù)據(jù)量的陶瓷增強相，從而達到強化金屬基體的目的。由于增強體是從金屬基體中原位形核、長大的熱力學穩(wěn)定相，因此，增強體表面無污染，避免了與基體相容性不良的問題，界面結合強度較高。同時,不需外加增強顆粒也省去了增強體單獨合成、處理和加入等工序，簡化了工藝。但由于原位合成技術發(fā)展較晚，研究時間較短，工藝技術及基礎理論研究方面還不完善，今后在增強相的均化方面、PRMMC的凝固特征、控制有害化合物生成等方面還需進行深入研究。

　　SiCp/Al 復合材料作為一種新的結構材料有著廣闊的發(fā)展前景，但要實現(xiàn)產業(yè)化還需做大量的研究工作。除了要對SiCp/Al 復合材料的制備工藝、界面結合狀態(tài)、增強機制等方面的內容做進一步研究，其相關領域的研究及發(fā)展也應給予重視。

　　1 現(xiàn)有工藝方法雖然成功制造了復合材料，但很難用于工業(yè)化生產[9]，仍處于實驗室研究階段。另外，SiC 顆粒具有較大的表面積，表面能較大，易吸附氣體并帶入金屬液中，而金屬液粘度大也易卷入氣體并難以排出，產生氣孔缺陷。因此，對現(xiàn)有工藝的進一步完善和新工藝的開發(fā)成為下一步研究工作的主要任務。

　　2 金屬基復合材料的切削加工、焊接、熱處理等后續(xù)加工工藝的研究較少，成為限制其應用的瓶頸。高強度、高硬度的增強體的加入使金屬基復合材料成為難加工材料[10]。另外，增強體影響焊接熔池的粘度和流動性，并與基體金發(fā)生化學反應限制了焊接速度，給金屬基復合材料的焊接造成了極大的困難。因此，解決可焊性差的問題也成為進一步研究的主要內容。

　　3 環(huán)境性能方面的改善金屬基復合材料的環(huán)境性能方面的研究，即如何解決金屬基復合材料與環(huán)境的適應性，實現(xiàn)其廢料的再生循環(huán)利用也引起了一些學者的重視，這個問題關系到有效利用資源，實現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展，因此，關于環(huán)境性能方面的研究將是該領域今后研究的熱點。

　　4 計算機輔助設計的應用復合材料由常規(guī)設計向計算機輔助設計轉變也是今后的發(fā)展趨勢之一，這方面尚需做大量的工作，包括建立完整的數(shù)據(jù)庫，構造盡可能接近實際的模型等。

　　三、研究內容：

　　1.課題研究內容

　　(1)研究SiCp/Al復合材料的界面形貌、界面反應及生產物、斷口形貌以及材料內部的缺陷等;

　　(2)研究SiC粒徑、形狀、SiC體積分數(shù)、界面情況以及SiCp/Al復合材料的致密度對復合材料的力學性能、熱物理性能(熱膨脹系數(shù)及熱導率)的影響;

　　(3)熱處理對材料性能的影響。

　　2.擬解決的關鍵性問題

　　(1)復合材料性能的好壞主要取決于界面結合的好壞,而界面結合與SiC、Al的潤濕性有很大的關系,因此需要解決SiC與Al的潤濕性問題;

　　(2)復合材料的界面反應，反應產物以及對有害界面反應的控制，尋找界面反應發(fā)生的一般規(guī)律;

　　(3)考察熱循環(huán)對材料性能穩(wěn)定性的影響。

　　3.擬采取的實驗方案

　　將復合材料進行退火及T6處理,通過金相顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射(XRD)、能譜分析(EDS)對復合材料的微觀組織進行觀察,對比分析其組織形貌、成分、缺陷等;