高导热铝合金综述

高导热铝合金的一些理论与研究成果

1. 金属的导热机理

当材料的相邻区域存在温度差时，热量就会从高温区域经接触部位流向低温区域，产生热传导。

单位温度梯度下，单位时间内通过单位截面积的热量就称为热导率（单位是W/(m·K)），式1.1为热传递的表达公式。

ΔSΔt dx

dT -λΔQ = 式1.3中，∆S 为截面积，∆Q 为通过截面的能量，∆t 为时间，

dx dt 代表在x 方向传的温度，负号表示热量传递方向和温度梯度方向相反。

金属材料内有着大量的自由电子存在，自由电子可以在金属中快速运动，可以快速实现热量的传递，晶格振动是金属热传递的另一种方式，但相对自由电子传递方式来说处于次要地位。

金属中的自由电子在运动过程中会受到热运动原子和晶格缺陷的影响，可以将受到的热阻分为两类：晶格振功产生的热阻和杂质缺陷产生的热阻。通常情况下，合金中的合金元素比较多，所以以杂质产生的缺陷热阻为主，合金热导率随温度升高而升高。

金属热传导主要靠自由电子完成，因而金属的导电系数和导热系数有着必然联系，事实上，大多数金属的导热系数和导电系数存在一个定值，就是Wiedemann-Franz 定律[39]，可以用式1.2表示

LT =δ

λ （1.2） 式1.4中，λ为导热系数，δ为导电系数，L 为洛伦兹常数，对于铝L =2.2×10-8 WΩ·K ，T 为绝对温度。由于热导率的测量比较复杂，测量结果准确度较差，而导电率的测量比较简单，Wiedemann-Franz 定律提供了一条测量热导率简便方法，可以通过测量导电率的间接测得热导率。

2. 研究意义

随着时代的发展与进步，人们对电脑等电子产品的要求与日俱增，电子产品的散热问题引起了人们的关注，目前的散热材料越来越很难满足散热要求，开发具有高强高导热的材料变得更加重要。

铝具有密度小；耐腐蚀；易加工；导电和导热性好，仅次于Au、Ag和Cu；铝硅合金含Si量高，具有低熔点、耐蚀性好等特点，铝硅合金的优秀的铸造性、良好的加工性和耐热、耐磨的特性，使得铝硅合金具有非常广泛的应用。在含有Mg、Cu和Ni的铝硅合金，热处理强化提高合金的性能。而且与金、银和铜相比，Al还有着很好的性价比。因此，铝合金在高强高导热方向具有很好的发展前景。

因此通过在铝硅合金熔炼，添加变质剂，合金元素，和热处理等工艺，以获得良好的导热性和力学性能的铸造铝硅合金，解决电子产品的散热问题，具有重要的理论意义和实际应用价值。

3.前人研究成果

从现有文献上显示，铝合金中在导热或导电方面研究比较多的Al-Mg-Si系合金。一般来说，合金元素的掺入会引起杂质缺陷，对自由电子运动产生阻力，会降低合金中的热导率。Si和Mg是Al-Mg-Si系合金中的主要元素，对6063的研究显示，当Mg含量较小时，合金的热导率较高而强度稍低，Mg/Si质量比较大时，过量的Mg不仅会削弱Mg2Si效果，且会溶入到铝基体中，使合金的导热率下降。合金元素由析出态变为固溶态时，会引起热导率变小。当Mg/Si的质量比在1.66时，微量的过剩Si和Fe、Mn形成Al12(FeMn)3Si相弥散在铝基体中，减小了Si、Fe、Mn元素在铝基体中的固溶度，且不易形成粗大的Al9Fe2Si相，合金的热导率较高。当硅过剩量较多时，过剩的硅不仅固溶于铝基体中，容易和Fe形成Al9Fe2Si相，热导率降低。另外，添加0.30%的稀土会使得合金热导率达到最高，加少或加多导电率会有所下]。

热处理对合金的强度和导热性有着重要影响，对Al-Mg-Si系合金进行均匀化处理，经过560℃6h均匀化处理后热导率最高，温度过低或过高都对降低热导率。均匀化处理能消除晶内偏析，强化相Mg2Si会溶入基体中，针状含Fe相会变为球化。担当温度过高时，基体中的溶质原子增加，晶粒发生粗化，导电率较低。Al-Mg-Si固溶处理时，固溶温度越高，热导率越低，而强度随温度增加而增加，到达最大值后随温度增加而降低。固溶温度越高，过剩相溶入越充分，而温

度较低点会有部分相在晶界处不连续析出，对热传导有利，固溶温度最低点热导率最大。而强化相Mg2Si和合金元素最大限度溶入基体，且不发生过烧的温度，晶格畸变达到最大，强度最高。挤压Al-Mg-Si合金时效时，认为200℃温度最好。时效温度高，导热率随时效时间的增加而提高快，但时效时间过长时，因为部分强化相发生固溶而热导率降低；时效温度低，合金中的缺陷由于原子运动慢而得不到有效的修复。

利用铝合金为基体，利用碳化硅，碳和金刚石增强的金属基复合材料，具有高参量增强材料，可以通过添加高热导率的组分增强热导率，以及可控制的热膨胀系数等特点[44]。在金刚石/Al复合材料中，Tan等通过溶胶-凝胶法，在金刚石上引入了一个200nm厚、呈树枝状的W纳米层，有效地提高了金刚石和Al间的界面粘结性和减小了边界热阻。使用具有W纳米层的金刚石颗粒，含50％体积量金刚石的真空热压铝复合材料，热导率提高21%以上，从496W/mK到599 W/mK。利用Tzou[46]等通过沉积技术，精选沉积条件，可以1050铝基板提高导热性，有效降低CPU散热器中挤压铝产生的热耗散威胁。

高硅铝合金电子封装材料由于具有密度低、热膨胀系数小且可调、导热性好、以及较好的力学性能，可镀金、银、铜等，与基材可焊，具有加工性好、无毒等优良特点，符合电子封装技术朝小型化、轻量化、高密度组装化方向发展的要求。铝硅合金材料在电子封装材料方向具有良好的发展前景，受到越来越多人的重视，如航空航天和军事电子产品领域。

英国的Osprey公司通过离子沉积与热等静压两种方法结合，研制出热膨胀系数可控的CE合金,其广泛应用于航天航空、军用电子产品的封装材料，是目前性能最成熟、市场占有率最高的硅铝合金电子封装材料。