Исследование влияния направления базисных плоскостей в углеродном каркасе и металлическом композиционном материале системы Al–C на температурный коэффициент линейного расширения

Введение

Тенденции развития современных промышленных электронных компонентов и устройств на их основе указывают на увеличение энергопотребления и рабочей температуры, что в свою очередь требует применения эффективного охлаждения и теплоотвода. Одним из способов отведения тепла от высоконагруженных электронных компонентов является использование оснований из перспективных материалов, которые обладают улучшенными теплопроводящими свойствами наряду с пониженными значениями температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР), обеспечивающими стабильность их размеров.

В последнее время разработчики проявляют интерес к композиционным теплоотводящим материалам на основе углерода, в частности к углерод-углеродным. Они состоят из углеродного материала, усиленного углеродными волокнами, и обладают улучшенными физико-механическими свойствами по сравнению с монолитными углеродными материалами, а некоторые из них демонстрируют хорошую теплопроводность, низкий ТКЛР и высокую жесткость. Одна из областей применения данных материалов – средний слой в печатных платах для электроники, где необходимо компенсировать расширения других слоев, понижая при этом упругие напряжения связей и увеличивая рассеяние.

Основным методом производства металл-графитовых композитов является литье под давлением, в качестве металла обычно используют алюминий или медь. Медно-графитовые композиты с молибденовым покрытием получают путем химического газофазного осаждения молибдена на поверхность графита. Выбор такого способа обоснован тремя факторами:

-     создается поверхность с хорошей смачиваемостью металлом-инфильтрантом;

-     молибден нерастворим в меди, поэтому низкоомная исходно бескислородная медь не деградирует;

-     молибденовое покрытие необходимо для создания карбидизированного интерфейса, имеющего низкое тепловое сопротивление, что важно для взаимодействия графита и металлической матрицы с оптимальными теплофизическими свойствами.

Углерод-алюминиевые композиционные материалы обладают низкой плотностью, высокими теплопроводностью, прочностью и износостойкостью, что обуславливает их применение для изготовления функциональных элементов узлов трения высокоэнергетических установок. Такие материалы можно получать как методом жидкофазного совмещения алюминиевой матрицы и углеродного пористого наполнителя, так и путем совместного горячего прессования углеродных частиц и алюминиевого порошка. При жидкофазном совмещении расплава возможно химическое взаимодействие алюминия и углерода, сопровождаемое образованием карбида алюминия и, как следствие, снижением уровня механических характеристик материала и прочности адгезионных связей на границе. При твердофазном совмещении добиться равномерного распределения алюминиевой фазы по объему углеродного наполнителя трудно. Растворимость углерода в алюминии очень мала: не превышает 0,5 % при температуре 1570–1770 К и практически отсутствует при температуре 1270–1370 К, а взаимодействие алюминия и углерода при температурах >873 К сопровождается образованием карбида алюминия [1–5]. Высокая температура в начале смачивания углеродного наполнителя алюминиевыми сплавами способствует образованию пленок оксида алюминия на поверхности жидкого металла. После удаления оксидов температура смачивания понижается до 1123–1173 К [6]. Одним из способов улучшения смачивания поверхности углеродного наполнителя считается нанесение покрытий, которые одновременно защищают углерод от взаимодействия с алюминием. Углеродный наполнитель, покрытый никелем, при температуре 910–970 К хорошо смачивается эвтектическим алюминиево-никелевым сплавом. Однако при указанной температуре проникновение расплава в межуглеродное пространство затруднено и пропитка не происходит. Эффективность процесса повышается при использовании вакуумно-компрессионной пропитки, в результате которой пористая углеродная преформа (заготовка) пропитывается расплавом алюминиевого сплава под давлением инертного газа [7–9].

За рубежом литьем под давлением расплавленного металла в пористую графитовую заготовку производят наиболее популярное семейство материалов Graphmet, являющихся ближайшими аналогами композитов системы Al–C. Материал Graphmet 350 характеризуется теплопроводностью 220–360 Вт/(м·К) (присутствует анизотропия), ТКЛР в диапазоне от 6,0·10^–6 до 8,5·10^–6 К^–1 и плотностью 2,1 г/см³ [10–12]. Основным преимуществом композитов марки Graphmet 350 является низкая стоимость и простота механической обработки, основным недостатком – невысокая прочность (прочность на изгиб 30 МПа), что существенно ограничивает область их применения. Доля графита в материале Graphmet составляет ~25 %, что позволяет снизить удельную плотность и улучшить теплофизические свойства композита. Однако при механической обработке возникают определенные сложности, связанные с ламинарной структурой графита. В некоторых случаях для материала Graphmet, как и для всех алюминиево-графитовых композитов, необходима защита от коррозии.

Более высокими рабочими параметрами обладают металл-графитовые композиты компании Metal Matrix Cast Composites. Повышение уровня теплопроводности и улучшение механических свойств достигаются использованием в качестве графитовой составляющей размолотых (дробленных) отожженных углеродных волокон. Теплопроводность отдельных волокон достигает 900 Вт/(м·К), что позволяет получать композиты на основе алюминия и меди с высокими теплофизическими свойствами. Композиты на основе алюминия имеют более высокие характеристики, что объясняется большей чувствительностью медной матрицы к примесям [13]. Теплоотводы компании Metal Matrix Cast Composites используют в оборудовании самолетов и спутников, мощном оборудовании для связи, продукции для военно-промышленного комплекса.

Цель данной работы – исследование влияния направления базисных плоскостей в углеродном каркасе и металлическом композиционном материале (МКМ) на основе алюминиевого литейного сплава системы Al–Si–Cu, полученном методом вакуумно-компрессионной пропитки, на ТКЛР.

Материалы и методы

Значение ТКЛР твердых тел в диапазоне температур от –180 до +1500 °С определяли с помощью относительного дилатометра по ASTM E228, ASTM E831 [14, 15] и СТП 1-595-17-374–98.

При расчете значений ТКЛР:

– истинного (физического)

α(Т_i) = (1/l₀·¶l/¶T) + α(Т_i)_{изм. системы},                                            (1)

где l₀ – длина образца при начальной температуре Т₀ (20 °С);

– среднего (технического) в интервале температур ∆Т = Т_i – Т₀

α(Т_i) = (1/l₀·∆l/∆T) + α(∆Т)_{изм. системы},                                          (2)

где ∆l= l(Т_i) – l(T₀) – изменение длины образца в интервале температур от Т₀ до Т_i,

необходимо вводить поправку на значение ТКЛР материала измерительной системы: α(Т_i)_{изм. системы} или α(∆Т)_{изм. системы}. Поправку предварительно определяют при калибровочном измерении стандартного образца из кварца или оксида алюминия (корунд или сапфир) для соответствующей измерительной системы. Поправку необходимо периодически обновлять ввиду изменения состава и состояния измерительной системы в процессе эксплуатации. При размещении образца между опорой и толкателем на измерительную систему устанавливают защитные тонкие вставки из кварца или оксида алюминия, что способствует уменьшению эффекта воздействия окисления образцов и диффузионных процессов при высоких температурах [16].

Индуктивный датчик состоит из катушек индуктивности, в зазоре между которыми перемещается сердечник толкателя при тепловом расширении образца. Катушки индуктивности датчика являются элементами мостовой схемы. Разбаланс моста при смещении сердечника толкателя приводит к возникновению напряжения, усиливаемого усилителем в диагонали моста. Величина напряжения при малых перемещениях пропорциональна перемещению. Сигнал, пропорциональный удлинению, в цифровой форме через аналого-цифровой преобразователь регистрируют одновременно с сигналом, пропорциональным температуре образца на компьютере.

Плотность определяли методом гидростатического взвешивания по ГОСТ 18898–89) [17] и СТП 1-595-17-374–98 при установленной в помещении температуре, измеренной с погрешностью до ±1 °С. Погрешность применяемых весов составляла <0,001 г. Значения плотности воды при температуре от 18 до 27 °С представлены в таблице.

Плотность воды в зависимости от температуры в помещении

Для определения плотности образец помещали в корзину и погружали в емкость с водой на глубину не менее 10–15 мм от поверхности. Следует отметить, что образование пузырьков на образце недопустимо, поэтому необходимо предварительно погрузить его в жидкость. Образец взвешивали в воде с погрешностью ±0,001 г.

Объемное содержание углерода в МКМ определяют весовым методом с предварительным растворением матрицы композиционного материала в кислоте [17, 18]. Для взвешивания используют аналитические весы. Массовое содержание углерода в МКМ рассчитывают по формуле

                                               (3)

где m_{н.р.осадка С} – масса порошка углерода, полученного после растворения и сушки; m_МКМ – масса образца металлического композиционного материала системы Al–C.

Объемное содержание рассчитывают через массовое с учетом плотности МКМ:

                                           (4)

Погрешность измерения не превышает 5 % при доверительной вероятности 0,95.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

Исследована структура МКМ, измерены плотность, объемное наполнение и ТКЛР углеродного каркаса и МКМ в диапазоне температур от 20 до 200 °С.

Исследование структуры показало, что жидкий алюминиевый сплав проникает во все поры углеродного наполнителя. Однако в углероде заметны незначительные поры, которые вызваны адгезией межфазных границ при полном протекании процесса вакуумно-компрессионной пропитки (рис. 1).

Рис. 1. Микроструктура композиционного материала системы Al–C после вакуумно-компрессионной пропитки при увеличении ×500 (а) и ×2000 (б)

Плотность пористого углеродного каркаса и МКМ на основе алюминиевого сплава системы Al–C:

Объемное содержание углерода, рассчитанное по формуле (4), составило 79±2 %.

Средние значения ТКЛР для пористого углеродного каркаса и МКМ измерены при нагревании со скоростью 5 К/мин в инертной среде в диапазоне температур от 20 до 200 °С (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость температурного коэффициента линейного расширения от направления базисных плоскостей (ширина, глубина, высота) для пористого углерода (а) и металлического композиционного материала системы Al–C (б)

В зависимости от направления базисных плоскостей в углеродном каркасе значения ТКЛР уменьшаются на 30–35 %, в МКМ – на 15–20 %. Определено, что пропитка алюминиевым сплавом углеродного каркаса приводит к увеличению значения ТКЛР в 2,5–3 раза при сохранении соответствующей разницы для базисных плоскостей.

Заключения

С применением современных методов и фундаментальных основ материаловедения исследована структура, определены плотность и объемное содержание углерода в МКМ системы Al–C. Измерены значения ТКЛР углеродного пористого каркаса и МКМ в диапазоне температур от 20 до 200 °С. Установлено, что в зависимости от направления базисных плоскостей в углеродном каркасе значения ТКЛР уменьшаются на 30–35 %. После пропитки углеродного пористого каркаса литейным алюминиевым сплавом разница между значениями ТКЛР в зависимости от направления базисных плоскостей снижается до 15–20 %, значения ТКЛР увеличиваются в 2,5–3 раза при сохранении соответствующей разницы для базисных плоскостей. Значение ТКЛР полученного МКМ в 2,2 раза меньше значения ТКЛР матричного сплава системы Al–Si–Cu. Повышенная технологичность и более низкий уровень ТКЛР для МКМ по сравнению с углеродным каркасом позволяют рассматривать их в качестве перспективного материала для изготовления нагруженных деталей со сложной формой в изделиях силовой электроники и приборостроения.

Работы (исследования) выполнены при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (Соглашение № 075-11-2021-085 от 22.12.2021).