BN颗粒与LPSO相混杂增强镁基复合材料的制备与热物理性能研究

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镁合金以轻质、高比强度、高热导率和优良的电磁屏蔽性能等优点在电子产品等领域得到了越来越多的应用。近年来,随着电子技术的迅速发展,散热问题在高密度、高功率电子产品中越发关键,为了有效地散热及配合装配,要求电子封装材料应兼具高热导率、低热膨胀系数以及一定的力学性能。传统的镁合金材料已不能满足发展要求,因此开发具有优异综合热物理性能的镁合金或镁基复合材料具有重要意义。六方氮化硼(h-BN)是一种具有类似石墨晶体结构的陶瓷材料,具有低的热膨胀系数和密度、高的热导率等优点,能显著改善镁基复合材料的热物理性能,但是其和镁熔体的润湿性差,制备困难。镁合金中的长周期堆垛有序结构(Long Period Stacking Ordered structure-LPSO结构),不但能显著强化合金力学性能,且具有低的热膨胀系数,将其与h-BN配合,不但能提高复合材料的力学性能,还能进一步改善热膨胀性能。因此,本文选用h-BN颗粒作为增强体,并在复合材料中形成LPSO结构,制得了h-BN+LPSO混杂增强的镁基复合材料。本文也研究了超声处理和挤压铸造成形、以及热处理对复合材料组织和性能的影响。研究了以水合肼为还原剂,氨为络合剂的镀液体系对h-BN颗粒的化学镀纯镍处理,通过适当的工艺参数,得到了符合本研究需求的镀层,即镀层完整、均匀、致密,并尽量的薄。具体的工艺参数为:预处理后,控制化学镀反应温度78℃,反应时间30min,h-BN装载量5g/L,p H为9~10。通过此工艺获得的镀层为纯镍,且与h-BN结合强度高,平均厚度约0.17μm。化学镀镍显著改善了h-BN与镁熔体的润湿性,通过液态搅拌法能成功将h-BN加入镁熔体。研究了h-BN+LPSO混杂增强镁基复合材料的制备工艺及超声处理和挤压铸造成形对复合材料组织和性能的影响。结合实验室前期关于LPSO结构研究成果,本研究利用h-BN表面Ni镀层熔入基体的Ni元素,再按Ni/Y原子比0.5/0.9向基体中加入Y元素,成功地形成了由Mg-Ni-Y组成的LPSO结构。但Y元素的加入顺序会严重影响复合材料的微观组织,顺序不当Y元素氧化严重,产生大量YOF杂质相。而通过先搅拌添加h-BN颗粒再加入Y元素的工艺制得的h-BN+LPSO混杂增强镁基复合材料,YOF杂质明显减少,组织较为理想。其中h-BN体积分数为3%,LPSO结构体积分数约16%。超声处理和挤压铸造成形对复合材料组织和性能具有显著的影响,超声处理能消除h-BN团聚,改善LPSO结构形貌,使其分布均匀。而挤压铸造成形可以细化晶粒及晶界处的LPSO结构,同时大幅降低复合材料的孔隙率。超声处理后挤压铸造成形复合材料综合性能最优,室温热导率为107.64W/(m·℃),20-100℃平均热膨胀系数为18.90×10-6/℃,热膨胀系数较LPSO单相增强镁合金材料的显著降低,铸态抗拉强度为173MPa,伸长率为4.2%。研究了T6和T1热处理对超声处理后挤压铸造成形复合材料组织及性能的影响。结果表明,T6处理后,复合材料的微观组织无明显变化,LPSO结构形貌并未发生改变,具有较好的热稳定性,少量存在的Mg2Ni相溶解。复合材料的热导率和热膨胀系数随时效温度的升高先增加后降低,热导率最大值为118.41W/(m·℃)。T1处理后,复合材料的微观组织基本无变化,热导率随温度的升高而增加,最大值为117.86W/(m·℃),较铸态提高了9.5%,而热膨胀系数基本没有变化。相较于T6处理,T1处理对复合材料热物理性能的改善效果更好,在复合材料热膨胀系数和力学性能基本无变化的基础上,热导率得到一定的提高。在220℃/24h的T1热处理下,复合材料的室温热导率达118.21W/(m·℃),20-100℃平均热膨胀系数为18.91×10-6/℃,抗拉强度为170MPa,伸长率为4.5%。获得了具备良好热物理性能和一定力学性能的镁基复合材料。
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