Исследование влияния фракционного состава карбида кремния на теплопроводность композиционного материала на основе алюминиевого сплава

Введение

Создание объектов новой техники, определяющих научно-технический уровень и прогресс общества, в значительной степени обусловлено наличием новых конструкционных и функциональных материалов.

В настоящее время происходит бурное развитие силовой электроники средней и большой мощности. Широкое использование новых полупроводниковых приборов в энергетике, станкостроении, железнодорожном транспорте, авиации, судостроении, военной технике позволяет создавать изделия с ранее недостижимыми свойствами.

Для силовой электроники главной проблемой является отвод тепла. Высокая тепловая нагрузка, присущая современным полупроводниковым приборам, ставит перед материаловедами задачу по разработке новых высокоэффективных, не содержащих дефицитных и дорогих компонентов, материалов с высокой теплопроводностью, низкой плотностью, низким коэффициентом линейного теплового расширения (КЛТР) и другими теплофизическими и механическими характеристиками, совместимыми с характеристиками полупроводниковых материалов. Полупроводники – это кристаллические материалы с чрезвычайно низкими значениями КЛТР. При создании элементов конструкции, в которой должны быть собраны электронные модули, необходимо учитывать, что многократное циклическое расширение и сжатие приводит к разрушению кристаллов в результате тепловых напряжений. Увеличение температуры перехода на каждые 10°С приводит к снижению надежности полупроводниковых устройств на 50%. Проблема охлаждения этих устройств становится важным фактором повышения их надежности, выраженной средним временем наработки и выхода из строя [1–3].

Основание силовых модулей выполняет две функции: равномерного распределения температуры от полупроводниковых приборов, производящих в среднем ~85% генерируемого тепла, и передачу выделяемого тепла охладителю.

С точки зрения тепловых процессов модули могут функционировать при условии, что имеется эффективный отвод тепла, осуществляемый через многослойную структуру к наружной поверхности корпуса. В связи с постоянно растущей концентрацией энергии в электронных схемах, высокая теплопроводность металлического композиционного материала становится решающим фактором при проектировании модулей с высокой мощностью. Основным критерием, обеспечивающим максимальную производительность полупроводниковых приборов, является эффективность передачи тепла от кристалла к теплоносителю, характеризуемая тепловым сопротивлением, – чем меньше тепловое сопротивление, тем лучше отвод тепла. Многократное снижение энергоемкости возможно путем использования современной высокопроизводительной техники и технологии, при создании которой широко применяются передовые системы силовой электроники. Применение высокочастотного преобразования в технологических и энергетических установках дает экономию дефицитной электротехнической меди до 10 раз. Материалоемкость, габариты и масса изделий уменьшаются в разы одновременно с увеличением КПД. Увеличиваются также пределы эксплуатации систем при циклических нагрузках, управляемость и гибкость сложных систем, их безопасность и надежность [3–7].

Применяемые в настоящее время традиционные материалы не могут соответствовать постоянно возрастающим требованиям к новым приборам силовой электроники из-за высоких значений плотности и КЛТР, а также их высокой стоимости. При проведении соединения металлокерамики с медным основанием с помощью процесса пайки качество поверхности основания ухудшается – появляются изгибы и местные напряжения.

Проблему можно решить, применив при изготовлении конструкции модуля металлический композиционный материал на основе алюминиевого сплава, армированного частицами карбида кремния с высоким содержанием армирующей фазы – до 70% (объемн.). Материал обладает уникальными свойствами, такими как низкая плотность, высокие теплопроводность и механическая прочность. В отличие от традиционных материалов, при варьировании соотношения «матричный сплав/наполнитель» можно точно смоделировать теплофизические характеристики нового материала для применения его во многих областях промышленности в соответствии с техническими требованиями [1–6].

Цель данной работы – исследование теплофизических свойств (теплоемкости, температуропроводности и теплопроводности) композиционного материала на основе алюминиевого сплава марки АК7 системы Al–Mg–Cu–Si и карбидной фазы SiC с содержанием 65±1% (объемн.), с различным фракционным составом карбида кремния марок F60 (размер частиц 320–250 мкм), F120 (размер частиц 125–100 мкм) и F220 (размер частиц 63–50 мкм) в диапазоне температур от -100 до +400°С.

Материалы и методы

Металлический композиционный материал на основе алюминиевого сплава получали методом вакуумно-компрессионной пропитки пористых заготовок из карбидокремниевых порошков марок F60, F120 и F220 алюминиевым сплавом марки АК7 (система Al–7% (по массе) Si) [8, 9].

Исследование теплопроводности и теплоемкости твердых материалов проводили методом лазерной «вспышки». Определение теплопроводности и теплоемкости твердых материалов выполнено импульсным методом Паркера на установке ТС-3000 H/L (фирма SINKU-RIKO, Япония). На оборудовании реализован один из вариантов метода – импульсный метод лазерной «вспышки» (ASTM E1461, СТП 1-595-4-234–88), по которому образец в виде диска диаметром 10 мм и толщиной 1–3 мм облучается лазерным тепловым импульсом мощностью ~2 Дж [10, 11]. Тепло равномерно и быстро распространяется по толщине образца и воспринимается температурным преобразователем на противоположной поверхности образца. Информация об изменении температуры во времени преобразуется в цифровую форму и запоминается быстродействующим блоком памяти [10, 12].

Теплопроводность рассчитывается по измеренным значениям удельной теплоемкости и температуропроводности из соотношения

λ=a∙с_р·d∙100 Вт/(м∙К),                                                    (1)

где а – температуропроводность, см²/с; с_р – удельная теплоемкость, Дж/(г∙К); d – плотность, г/см³.

При измерении температуропроводности определяется время t_0,5, в течение которого температура на задней поверхности образца достигает половины своего максимального значения. Температуропроводность рассчитывается из выражения, полученного из решения дифференциального уравнения теплопроводности для пластины в условиях адиабатического нагрева:

а=1,38h²/p²t_0,5 см²/с,                                                    (2)

где h – толщина образца, см.

Теплоемкость определяется при повторном облучении образца лазерным импульсом при условии адиабатического нагрева образца тепловым импульсом известной энергии. При этом регистрируется значение максимальной температуры и изменение температуры образца во время его последующего охлаждения. Мощность теплового излучения импульсного лазера калибруется по стандартному образцу термодинамических свойств [13, 14].

Использовался проволочный термопарный преобразователь типа хромель-алюмель с диаметром термоэлектродов 0,1 мм. Проволочки термоэлектродов приваривают к противоположной поверхности образца (по отношению к поверхности, на которую падает излучение лазера) контактной конденсаторной сваркой. Возможно приклеивание спая термопары серебряной пастой к образцу с минимальным термическим сопротивлением для неэлектропроводных материалов.

Измерение удельной теплоемкости и температуропроводности выполняется при медленном нагреве образца в криостате с жидким азотом в среде с гелием в диапазоне температур от -100 до +400°С.

Измерение теплоемкости проводили различными методами, имеющими разные погрешности в зависимости от методики. Сопоставление результатов и построение итоговой кривой проводили по полученным значениям. Результаты представлены в виде температурных зависимостей измеренных значений теплоемкости, температуропроводности и теплопроводности, а также в виде табличных значений, полученных из аппроксимирующих уравнений [15].

Погрешность измерения при доверительной вероятности 0,95 не превышает для удельной теплоемкости 7%, температуропроводности 3% и теплопроводности 10%.

Проводили измерения объемного содержания карбида кремния в металлическом композиционном материале на основе алюминиевого сплава. Для определения объемного содержания карбида кремния в металлическом композиционном материале системы Al–SiC используется весовой метод (ГОСТ 18898–89) с предварительным растворением матрицы композиционного материала в кислоте [16].

Образец композиционного материала массой 0,4–1,5 г помещают в химический стакан емкостью 200 мл с хлороводородной кислотой для растворения алюминиевой матрицы. После окончания реакции (полного растворения матрицы) приливают дополнительный объем HCl (1:1) и выдерживают 10 мин. После этого содержимое фильтруют через фильтр «синяя лента». Нерастворимый в HCl карбид кремния промывают на фильтре до нейтральной реакции, после чего фильтр (вместе с карбидом кремния) высушивают в сушильном шкафу при температуре 130–150°С до постоянной массы.

Для расчета массового процента содержания карбида кремния в металлическом композиционном материале системы Al–SiC используют аналитические равноплечие весы типа ВЛР-200а-М или АДВ-200 с абсолютной чувствительностью 2·10^-4 г и с предельной нагрузкой 200 г. Для этого значения массы образца металлического композиционного материала системы Al–SiC и образца, полученного после растворения
и сушки карбида кремния, подставляют в формулу расчета массового процента:

                                             (3)

Объемный процент рассчитывается через массовый при учете плотности металлического композиционного материала системы Al–SiC:

                                                          (4)

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

Увеличения плотности заготовки можно достичь, как известно, за счет более плотной упаковки брикета под прессом высокого давления – либо используя полифракционные порошковые смеси, либо применяя оба указанных приема.

Результаты и обсуждение

Проведено исследование теплофизических свойств композиционного материала на основе алюминиевого сплава марки АК7 системы Al–Mg–Cu–Si, используемого для фасонного литья [16, 17], и карбидной фазы с объемным содержанием 65±1% и различным фракционным составом карбида кремния марок F60, F120 и F220.

Проведены измерения характеристик теплофизических свойств – теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности в диапазоне температур от -100 до +400°С – композиционного материала на основе алюминиевого сплава марки АК7 и карбидной фазы с содержанием от 64 до 66% (объемн.) карбида кремния с фракционным составом порошков марок F60 (размер частиц 320–250 мкм), F120 (размер частиц 125–100 мкм) и F220 (размер частиц 63–50 мкм).

Теплоемкость измерена на адиабатическом сканирующем калориметре SH-3000M (фирма SINKU-RIKO, Япония) при непрерывном нагреве со скоростью 3 К/мин в среде аргона в диапазоне температур от -100 до +400°С. В качестве образца использовали набор отдельных шайб диаметром 10 мм и высотой 4 мм, а также другие мелкие элементы материала композита для плотного размещения в платиновом стаканчике – держателе образца, согласно методике измерения, представленной в стандарте [11]. Измерения выполнены с погрешностью не более 4%.

Измерения теплоемкости в диапазоне температур от -100 до +400°С проведены также на дифференциальном сканирующем калориметре DSC 404 F1 фирмы Netzsch.

Полученные результаты (см. рисунок, а) совпадают в пределах погрешности измерений и могут быть описаны уравнением регрессии

с_р(Т)=0,6627+1,533∙10^-3∙Т-1,635∙10^-6∙Т ² ,                                    (5)

где температура -100≤Т≤+400, °С; с_р – удельная теплоемкость, Дж/(г∙К).

На рисунке, а приведены также данные о значениях теплоемкости, полученных методом лазерной «вспышки» [15], с максимальным отклонением 6% от рассчитанных результатов по уравнению регрессии (5).

Теплопроводность композитов определена по известному выражению

λ=а·с_р·d  Вт/(м·К),                                                                       (6)

где a – температуропроводность, м²/с; c_р– удельная теплоемкость, Дж/(кг·К); d – плотность, кг/м³.

Температуропроводность измерена методом лазерной «вспышки» на приборе LFA427 фирмы Netzsch с погрешностью не более 3% (см. рисунок, б).

Теплопроводность исследованных композитов представлена на рисунке, в и описывается уравнениями регрессии (7)–(9) со средним квадратическим отклонением ˂0,2% от результатов определения по уравнению (6) для материала с фракцией карбида кремния:

– F60 (размер частиц 320–250 мкм)

λ=190,4-0,544∙Т+1,89∙10^-3∙Т ²-4,53∙10^-6∙Т ³+4,48∙10^-9∙Т ⁴;                        (7)

– F120 (размер частиц 125–100 мкм)

λ=184,2-0,439∙Т+1,13∙10^-3∙Т ²-1,56∙10^-6∙Т ³+4,25∙10^-9∙Т ⁴;                        (8)

– F220 (размер частиц 63–50 мкм)

λ=150,0-0,297∙Т+0,91∙10^-3∙Т ²-2,67∙10^-6∙Т ³+3,12∙10^-9∙Т ⁴,                        (9)

где λ, Вт/(м∙К); -100≤Т≤+400, °С.

Как и следовало ожидать, теплопроводность композитов с размером фракции F220 (размер частиц 63–50 мкм) меньше теплопроводности композитов с размером фракций F60 (размер частиц 320–250 мкм) и F120 (размер частиц 125–100 мкм) на 15–20% при температуре 20°С вследствие более высокого содержания межфазных границ гетерогенной структуры композита.

Теплоемкость (а), температуропроводность (б) и теплопроводность (в) композитов на основе сплава АК7 с 65±1% (объемн.) карбида кремния, с фракционным составом порошков марок F60, F120 и F220 в диапазоне температур от -100 до +400°С

Заключения

Отработаны методики определения комплекса теплофизических свойств, в том числе в диапазоне температур от -100 до +400°С. Изготовлены образцы с содержанием от 64 до 66% (объемн.) карбида кремния и различным фракционным составом порошков марок F60 (размер частиц 320–250 мкм), F120 (размер частиц 125–100 мкм) и F220 (размер частиц 63–50 мкм). Проведены исследования теплофизических свойств – теплопроводности, теплоемкости и температуропроводности в диапазоне температур от -100 до +400°С – металлического композиционного материала с различным фракционным составом порошков марок F60, F120 и F220 и высоким содержанием карбидной фазы (65±1% (объемн.)). Показано, что с увеличением размера частиц фракции теплопроводность увеличивается на 15–20% при температуре 20°С вследствие низкого содержания межфазных границ гетерогенной структуры композита, при этом уменьшается объемное содержание пор. Установлена зависимость влияния деформационного воздействия на формирование заготовки заданной пористости в зависимости от размера частиц карбидной фазы, а также влияние размера частиц карбидной фазы на пропитываемость пористой заготовки расплавом матричного сплава методом вакуумно-компрессионной пропитки. Отработаны методики определения комплекса теплофизических свойств (теплоемкости, температуропроводности и теплопроводности) в диапазоне температур от -100 до +400°С.