摘要：在电子封装领域，高硅铝合金复合材料因其优异的热物理性能和力学性能备受关注。然而，如何进一步提升其性能以满足更高要求的应用场景，一直是研究热点。兰州理工大学张海涛团队通过粉末触变成形工艺结合T6热处理，成功优化了50Si/Al-1Mg复合材料的微观组织与性能，为

导读

在电子封装领域，高硅铝合金复合材料因其优异的热物理性能和力学性能备受关注。然而，如何进一步提升其性能以满足更高要求的应用场景，一直是研究热点。兰州理工大学张海涛团队通过粉末触变成形工艺结合T6热处理，成功优化了50Si/Al-1Mg复合材料的微观组织与性能，为电子封装材料的开发提供了新思路。

随着电子封装技术向高度集成化、模块化、轻量化和小型化发展，电子系统在运行过程中产生的热量对封装材料提出了更高的要求。高体积分数的Si/Al复合材料因其高导热性、低热膨胀系数、低密度和良好的耐磨性，成为理想的电子封装材料。然而，传统的制备方法如浸渗法、喷射沉积法和粉末冶金法存在界面反应、工艺复杂和成本高等问题。粉末触变成形工艺作为一种新型制备手段，具有制备流程短、升温速率快和过程可控等优势，为制备高性能复合材料提供了可能。

【文章来源及内容】

兰州理工大学张海涛、阎峰云和张燕强在《特种铸造及有色合金》2025年第45卷第2期发表了题为“热处理对粉末触变成形50Si/Al-1Mg复合材料组织及性能的影响”的研究论文。该研究采用粉末触变成形工艺制备了电子封装用50Si/Al-1Mg复合材料，并通过测定其热导率、热膨胀系数、抗弯强度及维氏硬度，深入研究了T6热处理对其微观组织、力学性能和热物理性能的影响。

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【研究亮点】

本研究通过粉末触变成形工艺成功制备了Si颗粒分布均匀、组织致密的50Si/Al-1Mg复合材料，并发现添加微量Mg可显著提升材料的致密度和力学性能。此外，T6热处理进一步优化了复合材料的微观组织，使其抗弯强度和硬度分别提升了16.2%和7.43%，而热导率变化不大，为高性能电子封装材料的开发提供了重要参考。

【研究方法】

采用机械法制得的工业纯铝粉（质量分数>99.7%，D50=15 μm），形貌为薄片状；高纯Si粉（质量分数>99.9%，D50=8 μm），形貌为边缘锋利的多边形；雾化镁合金粉（AZ91D，D50=53 μm），粉末微观形貌见图1，制备了50Si/Al和50Si/Al-1Mg两种复合材料。将称好的粉末装进球磨罐中，在氩气保护下球磨4 h，球磨机的转速为180 r/min，球料比为1∶1。将混合均匀的粉末在直热法粉末触变成形设备中进行压制烧结，制成尺寸为ϕ100 mm×5 mm的圆饼试样。烧结温度为600 ℃，保温时间为30 min，成形压力为50 MPa，保压时间为4 min，真空度保持在80 Pa以下。

图1不同材料粉末微观形貌

将制备好的50Si/Al-1Mg复合材料分为9组，其中1组与未添加Mg的复合材料做比较，其余8组用作热处理试样。对试样进行T6热处理，固溶温度分别为480、500、520和540 ℃，保温时间为2 h，水淬；对固溶处理后的试样在170 ℃下分别进行2、4、6和8 h的时效处理。

使用4XC型金相显微镜观察微观组织；使用配有能谱仪的Quanta450FEG场发射扫描电镜（SEM）观察复合材料的微观组织及断口形貌；使用BST401抗弯折仪测试试样的抗弯强度，试样尺寸为3 mm×3 mm×35 mm；使用HBRVU-187.5型布洛维光学硬度计测试复合材料的硬度，每个试样测5个不同位置的硬度值，取其平均值；使用MH-300A型固体密度计测试复合材料的实际密度并计算其致密度；使用LFA500型闪射法导热仪测量复合材料的热扩散系数，试样尺寸为ϕ12.7 mm×2 mm；使用DIL4029C电子膨胀仪测量复合材料的热膨胀系数，测试温度范围为25~200 ℃，试样尺寸为3 mm×3.5 mm×20 mm。

【内容解读】

150Si/Al-1Mg混合粉末DSC分析

混合粉末在530℃开始相变，554.5℃附近发生三元共晶反应，最大吸热峰在578.8℃，对应Al-Si二元共晶反应。烧结温度在530~577℃时，Si/Al复合材料中Si颗粒与基体界面结合强度较低。温度超过577℃，铝粉和Si颗粒接触界面形成铝合金液相，促进Si颗粒重排，获得致密材料。但温度过高，Si溶解和扩散加快，冷却时析出长条状Si，影响材料力学性能。因此，最佳烧结温度范围为577~620℃，在此范围内，液相含量高，Si颗粒重排充分，Si颗粒与基体冶金结合强度好，形成高体积分数、组织致密的Si/Al复合材料。

图250Si/Al-1Mg复合材料的DSC曲线

两种复合材料组织中Si颗粒形貌均为边缘锋利的不规则多边形，均匀弥散地分布在铝基体上，将基体分割成了连续的网状结构，弥散分布的Si颗粒对基体起颗粒增强的作用，而铝基体的连续性保证了复合材料高的热导率。此外，两种材料的基体上孔洞等缺陷很少，说明采用粉末触变成形工艺可以制备出组织致密的Si/Al复合材料。表1为粉末触变成形复合材料的致密度。可以看出，这两种材料的致密度分别为97.76%和99.91%。

图3复合材料显微组织

50Si/Al-1Mg复合材料的抗弯强度和硬度相比未添加Mg的复合材料分别提升了9%和3%。两种复合材料在宏观上均呈脆性断裂的特征，但微观组织不同。组织中的裂纹源产生于Si颗粒与铝基体的界面处，且沿着Al-Si界面逐渐延伸最终导致断裂，且断面上发现了Si颗粒脱落，这证实了复合材料中Si颗粒与基体界面结合强度不高。此外，在断面还发现有孔洞以及未熔铝粉团聚的现象。50Si/Al-1Mg复合材料的断面较平整，裂纹源产生于大尺寸Si颗粒内部，不存在Si颗粒的脱粘现象，且未发现孔洞以及铝粉团聚现象。

图4粉末触变成形Si-Al复合材料的力学性能

图5两种复合材料断面SEM图

加入1%的Mg后，复合材料的热导率和热膨胀系数相较于50Si/Al复合材料分别下降了5.05%和10.54%。这是由于添加的Mg会使基体产生晶格缺陷，导致复合材料的热物性下降。

图6复合材料的热物性能

随着固溶温度增加，复合材料组织中边角锋利的大尺寸Si颗粒逐渐钝化，小尺寸Si颗粒逐渐溶解消失；当温度增加至520 ℃以上，大尺寸Si颗粒趋向于长条状长大，并伴随着孔洞等缺陷的出现，且随温度的升高这种趋势更加明显。此外，随着固溶温度升高，Si颗粒的尺寸不断增大，而圆整度呈先增大后减小的趋势。其原因是固溶处理过程中，在浓度梯度作用下，小尺寸Si颗粒周围基体中的Si原子不断向大尺寸Si颗粒周围基体中扩散并在其表面析出长大，导致大尺寸Si颗粒发生钝化和长大。但固溶温度过高时，固溶处理过程中材料会产生过烧现象，导致边界处出现细小的孔洞等缺陷。

随温度升高，基体对合金元素的固溶度逐渐增加，微量合金元素逐渐溶解进基体中形成饱和固溶体。500 ℃×2 h固溶后，复合材料中偏聚在Al-Si界面处分布不均匀的纳米第二相溶解消失，且基体中Mg元素的摩尔分数有所增加。

图7不同固溶温度下保温2 h的50Si/Al-1Mg复合材料的光学显微组织

图8不同温度下固溶处理后50Si/Al-1Mg复合材料的粒径及圆整度

图9固溶处理前后50Si/Al-1Mg复合材料微观组织及EDS分析图

随着温度升高，硬度增加，但抗弯强度先增后减，500℃时达到最高，硬度（HV）为236.98。温度升高导致铝基体固溶度增加，晶格畸变程度提高，从而增强材料性能。圆整度显著影响抗弯强度，固溶处理使Si颗粒尖角钝化，避免裂纹源产生。然而，过高的固溶温度会导致Si颗粒长条状、应力集中和Al-Si边界过烧，影响力学性能。热导率和热膨胀系数随固溶温度升高而降低，500℃时热导率为115.67 W/（m·K），热膨胀系数为10.8×10-6 K-1。晶格畸变影响自由电子运动，降低热扩散系数。Si颗粒界面热阻和孔隙率也影响热物性，接触面积小、孔隙率低的复合材料热物性更佳。

图10不同温度固溶处理后50Si/Al-1Mg复合材料的力学性能

图11不同温度固溶处理后50Si/Al-1Mg复合材料的热物理性能

图12展示了170℃×6小时时效处理后复合材料的SEM和面分析图。与图9对比，时效6小时后铝基体上析出的第二相与原始态不同，分布更均匀。材料硬度随时效时间增加而提高，但抗弯强度先增后减，6小时时效时达到最高，为387.55 MPa，硬度（HV）为256，分别比原始50Si/Al-1Mg复合材料增加16.2%和7.43%。图14表明，热导率随时效时间先降后升，6小时时效的复合材料热导率为118.02 W/(m·K)，比时效前提高2.03%。原因是时效延长导致溶质原子析出形成亚稳态析出相，增加基体晶格畸变，提高抗弯强度；但持续时效后，亚稳态第二相稳定，晶格畸变降低，强化效果减弱，表现为抗弯强度降低。基体晶格畸变程度同样影响热导率，畸变越小，热导率越高。

图12时效6 h后50Si/Al-1Mg复合材料SEM和元素面扫描

图13不同时效时间后50Si/Al-1Mg复合材料力学性能

图14不同时效时间后50Si/Al-1Mg复合材料热物性能

【主要结论】

直热法粉末触变成形工艺可制备出高性能的50Si/Al复合材料，添加1% Mg后，复合材料的致密度和力学性能显著提升。T6热处理优化了复合材料的微观组织，使其抗弯强度和硬度分别提升了16.2%和7.43%，热导率变化不大。该研究为电子封装用高硅铝合金复合材料的开发提供了重要的理论依据和工艺指导。

【引用格式】

中文：张海涛，阎峰云，张燕强. 热处理对粉末触变成形50Si/Al-1Mg复合材料组织及性能的影响［J］. 特种铸造及有色合金，2025，45（2）：235-241.

英文：ZHANG H T，YAN F Y，ZHANG Y Q. Effects of heat treatment on microstructure and properties of powder thixoforming 50Si/Al-1Mg composites［J］. Special Casting & Nonferrous Alloys，2025，45（2）：235-241.

扩展阅读：欢迎登陆www.special-cast.com，阅读、下载、引用《特种铸造及有色合金》期刊上发表的论文。

“我是特种铸造及有色合金的AI小铸手，您有任何问题都可以问我哦”

来源：特铸杂志