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高体积分数SiCp/Al复合材料是一种比强度高,导热系数高,膨胀系数低,尺寸稳定性好的材料,在航空航天,电子封装,精密仪器等领域有着普遍的运用,因此对SiCp/Al复合材料的导热性能以及尺寸稳定性要求越来越高。导热性能越好,结构件在受热时能够快速散热减小温度梯度,从而使构件受热变形量降低,这对尺寸稳定性有较高要求的构件特别重要。本文通过实验和有限元模拟的方法系统地研究了不同颗粒粒径、体积分数以及双粒径配比对SiCp/Al复合材料的导热性能及尺寸稳定性的影响,最后模拟了冷热循环工艺对尺寸稳定性的影响,揭示了不同影响因素下SiCp/Al复合材料热导率与尺寸稳定性的变化规律,为SiCp/Al复合材料在航空航天等领域精密仪器结构件上的应用提供理论依据和实践意义。本文的主要研究内容与结果如下:(1)采用粉末冶金法在750℃下烧结制备了体积分数为55%、60%,双粒径质量比为 W50μm:W14μm=2:1(W50/W14=2:1)、W85μm:W28μm=2:1(W85/W28=2:1)的 SiCp/Al复合材料,并利用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、能谱仪(EDS)等仪器观察分析SiCp/Al复合材料的组织形貌及成分,通过激光热导仪测量SiCp/Al复合材料的热导率。结果表明随着体积分数增大,W50/W14的SiCp/Al复合材料热导率由127W/m·k增大到135W/m·k,W85/W28的SiCp/Al复合材料热导率由131W/m·k增大到139W/m·k;相同体积分数下颗粒尺寸越大,热导率越大。(2)在建模软件Digimat中输入SiC颗粒以及A1基体的各项性能参数,通过改变SiC颗粒的尺寸、体积分数及双粒径配比,从而得到粒径为14μm、28μm、50μm、85μm,体积分数为 50%、55%、60%、65%以及粒径级配为 W50/W14=2:1(55vol%)、W85/W28=2:1(55vol%)、W50/W14=2:1(60vol%)、W85/W28=2:1(60vol%)的高体积分数 SiCp/Al复合材料二维有限元模型。将得到的有限元模型分别导入有限元软件ABAQUS中,在ABAQUS软件中根据要求对模型的分析步、边界条件、约束条件设置,进行热传导模拟和残余应力模拟,根据云图即可分析计算得到材料的热导率和材料尺寸稳定性。(3)基于文献报道,SiCp/Al复合材料热导率及残余应力有限元模拟具有可行性。通过有限元模拟及实验研究发现碳化硅颗粒的体积分数和尺寸对复合材料的热导率及尺寸稳定性都有影响。有限元模拟结果表明:a)SiCp/Al复合材料的热导率随着颗粒体积分数的增加而增大,热导率由165.25W/m·k增大到168.08W/m·k,模拟结果与Maxwell模型的理论值以及实验值一致;SiCp/Al复合材料的导热系数随粒径的增大而增大,导热系数从165.76W/m·k增加到169.92W/m·k,与实验结果一致;双粒径级配的实验结果和模拟结果都与单一粒径的规律相同。b)随着体积分数的增大,SiCp/Al复合材料内部的残余应力增大,但是尺寸稳定性先变大后减小;随着颗粒尺寸的增大,SiCp/Al复合材料内部的残余应力减小,最大残余应力由1178MPa减小到779Mpa,所以尺寸稳定性也越好;冷热循环处理可以有效降低SiCp/Al复合材料的残余应力从而提高尺寸稳定性,随着循环次数的增加,残余应力不断减小,经过三次冷热循环时材料的尺寸稳定性就基本可以得到稳定。图[45]表[12]参[114]。