學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人了解中南大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校 有權(quán)保留學(xué)位論文并根據(jù)國家或湖南省有關(guān)部門規(guī)定送交學(xué)位論文， 允許學(xué)位論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi) 容，可以采用復(fù)印、縮印或其它手段保存學(xué)位論文。同時授權(quán)中國科 學(xué)技術(shù)信息研究所將本學(xué)位論文收錄到中國學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫， 并通過網(wǎng)絡(luò)向社會公眾提供信息服務(wù)。 日期：壟笪年上月 日 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 摘要 隨著科技的發(fā)展，層狀復(fù)合材料在國防軍工裝備領(lǐng)域的應(yīng)用越來 越廣泛，使得對層狀復(fù)合材料的研究也日益深入。目前國內(nèi)還尚沒有 銅鐵層狀復(fù)合材料的報道。本文選用無氧銅與純鐵制備疊層復(fù)合材 料，首次采用實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的手段對c u d t 9 c u 熱軋復(fù)合 進(jìn)行了研究，在層狀復(fù)合材料的研究和應(yīng)用領(lǐng)域有一定創(chuàng)新意義。 首先對無氧銅t u l 和純鐵d t 9 的高溫力學(xué)性能進(jìn)行檢測，制定 了銅鐵復(fù)合的熱軋工藝；并且分析了熱軋退火后復(fù)合材料的性能以及 厚度變化，分析了銅鐵復(fù)合材料的復(fù)合機(jī)理；首次基于高性能計算平 臺，利用有限元軟件a b a q u s 對c u d t 9 c u 的熱軋復(fù)合過程進(jìn)行了 數(shù)值模擬，為復(fù)合材料的熱軋工藝的優(yōu)化提供了理論和實踐依據(jù)。本 研究取得主要結(jié)論有： 1 制定了c u d t 9 c u 熱軋復(fù)合工藝，即軋制溫度8 5 0 ，壓下率 5 0 ；采用三組坯料厚度配比，經(jīng)熱軋試驗獲得了復(fù)合良好的 c 仰t 9 c u 疊層復(fù)合材料，其界面結(jié)合強(qiáng)度達(dá)15 5 m p a ；退火后三組 c u d t 9 c u 復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度約1 7 0 m p a ，抗拉強(qiáng)度約2 5 0 m p a 。 2 熱軋和冷軋過程中銅、鐵層厚變化規(guī)律分析結(jié)果顯示，銅層和 鐵層的變形率趨于一致；通過對最終復(fù)合材料的厚度測量，表明：原 始厚度為1 5 2 1 5 的c u d t 9 c u 經(jīng)過軋制后的復(fù)合材料，能滿足最 終產(chǎn)品厚比要求。 3 界面分析結(jié)果表明，c 仰t 9 c u 熱軋復(fù)合的機(jī)理為：熱軋時銅 和鐵的表面層破裂，形成真實物理接觸；在高溫高壓條件下，兩接觸 表面原子被激活，形成金屬鍵而實現(xiàn)牢固結(jié)合。 4 首次基于高性能計算平臺，利用a b a q u s 有限元軟件，實現(xiàn) 了c 曲t 9 c u 熱軋復(fù)合的數(shù)值模擬，獲得了軋制過程的溫度變化和 應(yīng)力、應(yīng)變的分布。結(jié)果顯示：熱軋過程中最大平均軋制壓力約為 4 1 6 m p a 。通過數(shù)值模擬和實驗數(shù)據(jù)的對比，兩者熱軋后的銅鐵層厚 比誤差小于7 ，可以為厚度變化提供有效預(yù)測。 關(guān)鍵字：c t t d t 9 c u ，層狀復(fù)合材料，高性能計算平臺，數(shù)值模擬， 結(jié)合強(qiáng)度，復(fù)合機(jī)理，層厚變化 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t l a y e r e dc o m p o s i t em a t e r i a l sa r em o r ea n dm o r ee x t e n s i v e l ya p p l i e d i nm i l i t a r ye q u i p m e n t so fn a t i o n a ld e f e n s es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yw i t h t h e d e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , s ot h es t u d yo fl a y e r e dc o m p o s i t e m a t e r i a l sh a sb e c o m em u c hm o r ei n - d e p t h f o rt h el a m i n a t e dc o m p o s i t e o fc o p p e ra n di r o n ，n od o m e s t i cr e p o r th a sb e e nf o u n d o x y g e n f r e e c o p p e rt u 1a n di r o nd t 9a r es e l e c t e dt om a k et h ec o m p o s i t em a t e r i a li n t h i sr e s e a r c h t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n 緦w e l la u st h ee x p e r i m e n t a ls t u d y o fh o tr o l l i n gc o m p o u n di sc a r r i e do u tf o rt h ef i r s tt i m et ot h ec o p p e r s t e e l c o p p e ri nd o m e s t i c ，i th a so b v i o u si n n o v a t i o ns i g n i f i c a n c e f o r r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fc o m p o u n d m a t e r i a l s f i r s t ，t h eh i g ht e m p e r a t u r em e c h a n i cp e r f o r m a n c eo fo x y g e n - f r e e c o p p e rt u 1a n di r o nd t 9a r et e s t e d ，a n dt h er o l l i n gp r o c e s sf o rt h e c o m p o u n do fc o p p e ra n di r o n i se s t a b l i s h e d s e c o n d ，h o tr o l l i n g e x p e r i m e n t i sc o n d u c t e da n dt a k ea n a l y s i so ft h ep e r f o r m a n c eo f c o m p o s i t em a t e r i a l sa n dt h i c k n e s sc h a n g e ， a n da l s ot h ec o m b i n a t i o n m e c h a n i s mo ft h e c o m p o s i t e t h i r d ，b a s e do nh i g h - p e r f o r m a n c e c o m p u t i n gp l a t f o r m ，u s i n gf i n i t ee l e m e n t s o f t w a r ea b a q u sf o rt h ef i r s t t i m et os i m u l a t et h eh o tr o l l i n gp r o c e s so fc o p p e ra n di r o nw i t ht h e r e d u c t i o no f5 0 i tc a l lp r o v i d eat h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lb a s i sf o r o p t i m i z a t i o no ft h eh o tr o l l i n gp r o c e s so ft h ec o m p o s i t em a t e r i a l s t h e m a i nc o n c l u s i o n so ft h i sp a p e ra r e ： ( 1 ) t h eh o tr o l l i n gp r o c e s so ft h ec o m p o u n do fc o p p e ra n di r o ni s e s t a b l i s h e d ，t h et e m p e r a t u r ei sa b o u t8 5 0 ca n dt h er e d u c t i o ni sm o r e t h a na n de q u a l5 0 a f t e rt h eh o tr o l l i n ge x p e r i m e n t so ft h r e ed i f f e r e n t t h i c k n e s s e so fc o p p e r i r o n c o p p e ra n dg e tt h el a m i n a t e dc o m p o s i t e sw e l l b o n d e d t h eb o n ds t r e n g t ho fc o m p o s i t em a t e r i a l si s15 5 m p a , t h ey i e l d s t r e s so ft h ec o m p o s i t ei sa b o u t17 0 m p a , a n dt e n s i l es t r e n g t hi sa b o u t 2 50 m p aa f t e ra n n e a l i n g ( 2 ) e x p e r i m e n t a la n a l y z e do ft h et h i c k n e s sc h a n g eo ft h eh o tr o l l i n g a n dc o l dr o l l i n gt h a tt h er e d u c t i o no fc o p p e rl a y e ri sc o n s i s t e n tw i t hi r o n l a y e r b ym e a s u r i n gt h et h i c k n e s s e so ft h ef i n a lc o m p o s i t em a t e r i a ls h o w t 1 1 a ta f t e rr o l l i n gt h eo r i g i n a lc u d t 9 c uw h i c ht h i c k n e s si s1 5 2 1 5 n 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t c a r lm e e tt h et h i c k n e s sr e q u i r e m e n t so f p r o d u c t i o n ( 3 ) b ya n a l y z i n gt h eb o n d e di n t e r f a c e ，t h ec o m b i n a t i o nm e c h a n i s m o fc 叫d t 9 c uc a nb es u m m a r i z e da s ：t h es u r f a c e l a y e ro f t h ec o p p e ra n d i t o na r eb r o k e nt of o r mar e a lp h y s i c a lc o n t a c tw h e nh o tr o l l i n g i nt h e c o n d i t i o n so fh i g ht e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r es u r f a c ea t o m sa r ea c t i v a t e d ， s ot h a tm e t a l l i cb o n d sa r e p r o d u c e dt oa c h i e v ec o m b i n a t i o n ( 4 ) b a s e d o n h i g h p e r f o r m a n c ec o m p u t i n gp l a t f o r m ， u s i n g a b a q u ss o f t w a r ef o rt h ef i r s tt i m et os i m u l a t et h ec o m p o u n do fc o p p e r a n di r o nw i t ht h r e ed i f f e r e n tt h i c k n e s s e so ft h ec o p p e r i r o n c o p p e r n 地 r e s u l t ss h o wt h et e m p e r a t u r e 、s t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o na n d g e tt h e m a x i m u m a v e r a g er o l l i n gp r e s s u r e o f r o l l i n gp r o c e s s i sa b o u t 41 6 m p a ；t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sc o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t a l d a t ao ft h et h i c k n e s sr a t i ow h i c hi st h ec o p p e rt ot h ei r o na f t e rh o t r o l l i n g t h ee r r o ri sl e s st h a n7 i tc a n p r o v i d ew e l lp r e d i c t i o no fl a y e rt h i c k n e s s k e yw o r d s ：c u d t 9 c u ，l a y e r e dc o m p o s i t em a t e r i a l s ，h i g h p e r f o r m a n c e c o m p u t i n gp l a t f o r m ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，b o n ds t r e n g t h ， c o m b i n a t i o n m e c h a n i s m ，l a y e rt h i c k n e s sc h a n g e h i 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文目錄 目錄 摘要i j 出s i j 毫a i ：i i i 第一章文獻(xiàn)綜述。1 1 1 金屬層狀復(fù)合材料介紹l 1 2 金屬層狀復(fù)合材料的發(fā)展?fàn)顩r1 1 3 金屬層狀復(fù)合材料復(fù)合方法和機(jī)理研究4 1 3 1 復(fù)合方法4 1 3 2 金屬復(fù)合機(jī)理6 1 4 有限元基本理論及a b a q u s 軟件介紹8 1 4 1 有限元基本理論8 1 4 2a b a q u s 介紹9 1 5 有限元在金屬軋制中的應(yīng)用1 3 1 6 無氧銅與d t 9 介紹：1 5 1 6 1 無氧銅1 5 1 6 2d t 9 介紹1 6 1 7 本文研究背景、主要內(nèi)容18 1 7 1 研究背景1 8 1 7 2 主要內(nèi)容18 第二章實驗方法與過程2 0 2 1 原材料力學(xué)性能檢測2 0 2 1 1 退火處理2 0 2 1 2 拉伸實驗2 0 2 2 熱軋實驗2 1 2 2 1 熱軋工藝的確定21 2 2 2 實驗流程。2 2 2 2 3 備料_ 。2 2 2 2 4 表面預(yù)處理2 3 2 2 5 軋制實驗2 3 2 2 6 后續(xù)冷軋實驗。2 4 2 3 復(fù)合材料的檢測2 4 2 3 1 力學(xué)性能檢測2 4 2 3 2 金相實驗。2 5 2 3 3s e m 實驗。2 5 2 3 4 厚度變化測量。2 6 第三章實驗結(jié)果分析。2 7 3 1 原材料力學(xué)性能分析2 7 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文目錄 3 1 1 無氧銅應(yīng)力應(yīng)變曲線2 7 3 1 2d t 9 純鐵應(yīng)力應(yīng)變曲線2 9 3 2 復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度分析與討論3 0 3 2 1 界面結(jié)合強(qiáng)度分析3 0 3 2 2 界面結(jié)合強(qiáng)度影響因素分析3 l 3 3 復(fù)合材料界面結(jié)合機(jī)理分析3 3 3 3 1 金相組織觀察3 3 3 3 2 復(fù)合界面s e m 觀察。3 4 3 3 3 剪切拉伸剝離面形貌3 5 3 4 復(fù)合材料強(qiáng)度分析3 7 3 5 層厚變化規(guī)律分析。3 8 3 5 1 第一道次熱軋層后厚變化3 9 3 5 2 后續(xù)冷軋層厚變化3 9 3 5 3 厚度變化的影響因素4 l 3 6 復(fù)合材料幾何精度分析4 1 3 7 本章小結(jié)4 2 第四章熱軋數(shù)值模擬4 3 4 1 高性能計算平臺4 3 4 2 熱軋模擬4 4 4 3 作業(yè)提交與計算4 6 4 4 結(jié)果分析4 7 4 4 1 溫度場分析4 7 4 4 2 應(yīng)力場分析4 8 4 4 3 應(yīng)變場分析4 9 4 4 4 軋制力及平均軋制壓力分析5 1 4 4 5 厚度變化5 2 4 5 本章小結(jié)5 4 第五章結(jié)論。5 5 參考文獻(xiàn)。5 6 致謝5 9 攻讀學(xué)位期間主要成果6 0 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第章文獻(xiàn)綜述 第一章文獻(xiàn)綜述 1 1 金屬層狀復(fù)合材料介紹 根據(jù)材料的復(fù)合特點，金屬復(fù)合材料可以分為顆粒復(fù)合材料、纖維復(fù)合材料、 層狀復(fù)合材料三大類【l 】。層狀復(fù)合材料是金屬復(fù)合材料中的應(yīng)用廣泛且很重要的 一種，在國際標(biāo)準(zhǔn)化組織上是這樣定義的：層狀復(fù)合材料是由兩種或者多種理化 性質(zhì)不同的物質(zhì)復(fù)合在一起的一種多相固體材料【2 】。層狀復(fù)合材料中各組元材料 保持各自的獨立性，但其最終性能并不是各組元材料的簡單疊加，而是有著十分 重要的改善?？蒲腥藛T經(jīng)過合理選擇、設(shè)計，可以組合多種不同的材料，可以讓 該材料擁有多種優(yōu)異的性能來滿足多種特殊的使用要求，如抗腐蝕、抗磨損、抗 沖擊及導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性等。 最近這些年以來，隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，尤其是高精尖技術(shù)的進(jìn)步， 對復(fù)合材料的性能以及品種提出了更苛刻的要求。要求復(fù)合材料性能優(yōu)良、長壽 命、安全可靠，具有更高的韌性、強(qiáng)度以及更小的比重，偶爾還要求復(fù)合材料具 有很好的耐腐蝕性和耐熱性，并且價格要低，能夠節(jié)約稀有的貴金屬資源【3 】。在 一種的金屬材料上實現(xiàn)以上功能是十分困難，甚至實現(xiàn)不了。通過幾種物理性能 不同材料的復(fù)合，要實現(xiàn)以上要求并不那么困難。作為復(fù)合材料中的十分具有發(fā) 展?jié)摿Φ囊环N，金屬層狀復(fù)合材料，可以滿足以下各種要求： ( 1 ) 性能互補(bǔ)，例如將高韌性材料和高硬度材料層狀復(fù)合后制成性能相互 補(bǔ)充的復(fù)合板； ( 2 ) 表面保護(hù)作用，用耐腐蝕、耐熱、耐磨的材料作為復(fù)合板的表層可以 起到保護(hù)作用； ( 3 ) 利用材料物理性能的差異性，例如利用導(dǎo)熱和膨脹系數(shù)不同復(fù)合成的 電子封裝材料，利用熱膨脹系數(shù)不同的材料制作熱敏元件等； ( 4 ) 經(jīng)濟(jì)作用，廉價金屬與稀有貴金屬復(fù)合可以節(jié)約稀貴元素或貴金屬。 1 2 金屬層狀復(fù)合材料的發(fā)展?fàn)顩r 任何材料的發(fā)展都會有一段歷史，金屬層狀復(fù)合材料的使用就有十分悠久的 歷史。在很早的荷馬史詩中就已經(jīng)提到了有五層材料復(fù)合而成的a c h i l l e s 盾。在 公園前四世紀(jì)左右，希臘鐵匠便把中碳鋼與低碳鋼復(fù)合。八到十世紀(jì)的時候，北 歐海盜所使用的劍就是在堅硬的劍刃背后鑲嵌塑性好、抗沖擊的鋼而制成的。六 世紀(jì)，法國洛林梅羅文吉安劍，十五世紀(jì)時德國軍隊的盔甲，十六世紀(jì)的日本劍， 都說明了歐亞工匠很早就有了了解與認(rèn)識到金屬復(fù)合材料優(yōu)異性能。到2 0 世紀(jì) 初，人們已經(jīng)知道用部分脫碳鋼的絞合鋼條經(jīng)過鍛焊加工成的雙金屬滑膛槍管比 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章文獻(xiàn)綜述 均質(zhì)槍管更好用。 隨著社會的進(jìn)步發(fā)展，二十世紀(jì)以來，金屬層狀復(fù)合材料的研究就已經(jīng)十分 廣泛了，其材料的種類以及復(fù)合方法也得到了很大的發(fā)展，很多國家在復(fù)合材料 方面展開了大量的理論和生產(chǎn)的研究工作，主要集中在航天航空和電子封裝領(lǐng) 域。在2 0 世紀(jì)8 0 年代，美國德州儀器公司成功研制出了一種新型的電子封裝復(fù) 合材料c u i n v a r c u ( c i c ) ，這種電子封裝材料由三層復(fù)合而成，中間層是i n v a r 合金，上下表面是無氧銅板，經(jīng)過軋制復(fù)合制備的。因為c i c 復(fù)合材料不僅具 有銅的高導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，而且也具有i n v a r 合金的低膨脹系數(shù)性能，還可以通 過調(diào)整i n v a r 和c u 的比例，得到多種不同的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能和膨脹系數(shù)的復(fù)合 材料，能夠很好的滿足電子封裝材料的性能要求，成為當(dāng)時國外電子封裝材料中 最熱門的研究課題。德國的i x y s 公司已經(jīng)將c i c 用在固態(tài)繼電器中做功率模塊 的過橋，美國軍方已經(jīng)將其使用在f 1 5 型戰(zhàn)斗機(jī)的電子設(shè)備上【4 j 。 在電子封裝材料發(fā)展方面，美國和日本顯示出很大的優(yōu)勢，成為封裝材料的 主要的生產(chǎn)基地。美國的c l i m a xs p e c i a l t ym e t a l s 公司和a m a x 公司采用熱軋復(fù) 合的方法，成功制備出了c u m o c u 即c m c 復(fù)合材料，且申請了專利技術(shù)，已 經(jīng)在b 2 隱形轟炸機(jī)的電子設(shè)備中得到使用。c m c 的結(jié)構(gòu)和c i c 都是三層復(fù)合 結(jié)構(gòu)，但強(qiáng)度參數(shù)、硬度指標(biāo)、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率比c i c 都高了很多，原因是： 由于c m c 復(fù)合材料的中間層是鋁板，其強(qiáng)度、導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能都要比i n v a r 合 金的高。采用在線連續(xù)軋制復(fù)合技術(shù)，美國的p o l e s e 、e l c o n 和p o l y m e t a l l u r g i c a l 等公司可以制備多種規(guī)格的局部包覆或者全部包覆的封裝復(fù)合材料，與w c u 、 m o c u 等粉末冶金方法所制備的電子封裝材料相比，軋制復(fù)合制備方法可以提高 平面復(fù)合型材料的生產(chǎn)效率，可以降低生產(chǎn)成本，而且還可以生產(chǎn)大尺寸規(guī)格的 封裝材料，因此平面復(fù)合型電子封裝材料促進(jìn)了電子信息業(yè)的發(fā)展，并且容易產(chǎn) 生規(guī)模效益。p o l y m e t a u u r g i c a l 公司是生產(chǎn)包覆型復(fù)合材料的引航員，該公司研 究開發(fā)出多種產(chǎn)品，可以實現(xiàn)n v c u 、a c u 、a u f n i 、c m c 和c i c 等局部或者 全面復(fù)合型封裝材料的大規(guī)模生產(chǎn)，并且性能優(yōu)異，尺寸能夠精確控制。日本也 是生產(chǎn)電子封裝材料的先驅(qū)者，在生產(chǎn)研究領(lǐng)域內(nèi)享有很高的盛譽，a l m t 公 司成功研發(fā)制備了許多種類的電子封裝材料，例如w c u 、m o c u 、c m c 。并且 該公司還可以生產(chǎn)c u p c m c u 平面復(fù)合型封裝材料，首先將m o c u 軋制復(fù)合成 帶材后，再將其兩邊軋制復(fù)合上銅。m o c u 復(fù)合材料中銅是呈現(xiàn)網(wǎng)狀分布，大大 提高了材料厚度方向和平面方向的連通能力，因為銅有很強(qiáng)的導(dǎo)熱導(dǎo)電能力，制 備得到的產(chǎn)品與c m c 相比，厚度方向和平面方向的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能要更好。 金屬層狀復(fù)合材料在國內(nèi)的發(fā)展比較慢，雖然我國在古代也對金屬復(fù)合材料 進(jìn)行過一些研究，但規(guī)模化工業(yè)化生產(chǎn)還是在新中國成立之后，尤其是到改革開 2 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章文獻(xiàn)綜述 放后才全面發(fā)展起來的，與發(fā)達(dá)國家相比較有比較大的差距，主要的研究單位有 西北有色研究院、東北大學(xué)、上海鋼鐵研究院、首都鋼鐵研究所、中南大學(xué)等。 國內(nèi)關(guān)于金屬層狀電子封裝材料的研究，開展得比較遲。電子部1 5 所的馬慧君 【5 】等人首次成功制備了0 1 5 r a m 厚的1 7 6 6 1 7 的c i c 層狀復(fù)合材料，該復(fù)合材料 采用的是表面電鍍法制備。主要用于電路印刷板。c i c 的應(yīng)用提高了印刷板的性 能，可以對印刷板的c t e ( 熱膨脹系數(shù)) 進(jìn)行控制，使其與芯片相匹配；印刷 板的導(dǎo)熱性能得到大大提高，印刷板線路的工作穩(wěn)定性也得到提高；該材料具有 良好電磁屏蔽效果，可以有效防止外來電磁干擾。制備的印刷電路板主要用于國 圖1 - 1 可控氣氛熱軋復(fù)合過程 產(chǎn)計算機(jī)，促進(jìn)了我國的計算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展。國內(nèi)的生產(chǎn)廠家通過技術(shù)和設(shè) 備的引進(jìn)，也開展了這方面的生產(chǎn)。廣東的佛山精密合金有限公司從美國引進(jìn)了 復(fù)合金屬生產(chǎn)線和技術(shù)，該技術(shù)在9 0 年代具有國際先進(jìn)水平，成功研發(fā)生產(chǎn)了 幾大系列的復(fù)合金屬產(chǎn)品，其中就包括了金屬層狀封裝材料。該公司通過引進(jìn)的 可控氣氛熱軋復(fù)合技術(shù)，在保證了結(jié)合強(qiáng)度以及尺寸精度控制方面，相比一般熱 軋和冷軋復(fù)合方法要好，其生產(chǎn)過程見圖1 1 ，其復(fù)合的原理是：一卷i n v a r 與 兩卷銅材料同時在可控氣氛室內(nèi)進(jìn)行加熱，當(dāng)達(dá)到材料再結(jié)晶溫度以上，在大壓 下率軋制條件下銅和i n v a r 界面產(chǎn)生牢固的原子鍵而實現(xiàn)結(jié)合。該公司所生產(chǎn)的 表1 - 1c m c 電子封裝材料性能【6 】 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章文獻(xiàn)綜述 c i c 材料，已經(jīng)有國內(nèi)部分廠家投入使用，反映良好。北京先進(jìn)材料有限公司也 是一個專門生產(chǎn)各種封裝材料的企業(yè)，產(chǎn)品也比較全面，該公司也可以規(guī)?；?產(chǎn)電子封裝材料和多種封裝成品部件，產(chǎn)品出口行銷往歐美國家，其中電子封裝 材料c m c 的性能如表1 1 所示【6 j 。 中南大學(xué)對電子封裝層狀復(fù)合材料也進(jìn)行了很多的研究，中南大學(xué)的楊揚教 授等人驗證了爆炸復(fù)合方法制備c m c 電子封裝材料的可行性，對爆炸復(fù)合c m c 封裝材料界面的結(jié)合機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的研究【_ 7 1 。王志法教授等對c u m o c u 熱軋 復(fù)合工藝進(jìn)行了研究 4 , 6 1 ，探討了復(fù)合材料的表面處理對剪切強(qiáng)度的影響，退火 溫度對復(fù)合板的熱導(dǎo)率、剪切強(qiáng)度的影響，以及復(fù)合材料的復(fù)合機(jī)理等。中南大 學(xué)升華微電子材料有限公司，專業(yè)生產(chǎn)w c u 、m o c u 、c u m o c u 、c 硼0 7 0 c u c u 的高性能電子封裝材料，公司憑借先進(jìn)的材料制備技術(shù)、完備的材料檢測設(shè)備及 現(xiàn)代化的科學(xué)管理制度，同時依托中南大學(xué)雄厚的技術(shù)開發(fā)實力，在電子封裝材 料領(lǐng)域處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，其技術(shù)成果處于國際先進(jìn)水平，產(chǎn)品銷往國內(nèi)很多電 子產(chǎn)品公司，已經(jīng)得到很好的發(fā)展，擺脫了對國外產(chǎn)品進(jìn)口的依賴。 最近幾年以來，在社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的同時，資源和能源的遭到了過度開 發(fā)與消耗，很多礦產(chǎn)資源逐漸枯竭，使用節(jié)能環(huán)保的復(fù)合材料逐漸成為社會的發(fā) 展潮流，新型復(fù)合材料的研究和制備成為材料科學(xué)領(lǐng)域的一個非常重要發(fā)展方 向。 1 3 金屬層狀復(fù)合材料復(fù)合方法和機(jī)理研究 1 3 1 復(fù)合方法 金屬層狀復(fù)合材料的生產(chǎn)制備工藝比較復(fù)雜，而復(fù)合工藝是生產(chǎn)的中心環(huán) 節(jié)。以下介紹了金屬層狀復(fù)合材料的復(fù)合技術(shù)及其發(fā)展趨勢。 ( 1 ) 軋制復(fù)合 在2 0 世紀(jì)3 0 年代，作為制備金屬層狀復(fù)合材料的一種工藝，軋制復(fù)合 引起了一些研究者的注意，軋制復(fù)合可以分熱軋和冷軋。熱軋復(fù)合最開始出現(xiàn)在 2 0 世紀(jì)4 0 年代，熱軋復(fù)合是首先將基材和覆材金屬先裝配在一起，為了防止在 加熱和軋制過程中界面氧化，預(yù)先在周邊進(jìn)行焊接密封處理。常常采用對稱組合， 預(yù)防兩種金屬因變形量不同引起軋件的彎曲。裝配組合后的坯料加熱后，在軋機(jī) 大壓下量軋制使基材和覆材牢固地結(jié)合在一起。對于那些比較難于實現(xiàn)直接復(fù)合 的金屬對，可以在中間層加入低熔點的金屬箔，在高溫下利用瞬間液相法可以實 現(xiàn)復(fù)合而獲得滿意的界面結(jié)合強(qiáng)度。 在2 0 世紀(jì)5 0 年代初期，美國首先成功實現(xiàn)了冷軋復(fù)合技術(shù)，提出了表面 處理、軋制復(fù)合、退火強(qiáng)化為主要過程的生產(chǎn)工藝，開始了冷軋復(fù)合應(yīng)用的新階 段。冷軋是在較大的軋制壓力作用下，使材料的相互接觸的界面達(dá)到原子間的距 4 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章文獻(xiàn)綜述 離時形成結(jié)合點，經(jīng)過隨后的擴(kuò)散退火熱處理形成結(jié)合面而實現(xiàn)金屬結(jié)合。很多 材料都可以通過冷軋實現(xiàn)復(fù)合，并且冷軋復(fù)合的產(chǎn)品尺寸精確；由于冷軋方法不 需要加溫裝置，而且該方法容易實現(xiàn)批量生產(chǎn)，近年來獲得較大的發(fā)展，成為現(xiàn) 在應(yīng)用最廣泛的復(fù)合技術(shù)之一。但是該方法實現(xiàn)復(fù)合的臨界變形量大，對軋制設(shè) 備的噸位要求高，因此有效降低軋制壓力，盡可能發(fā)揮設(shè)備潛力具有十分重要的 意義。 ( 2 ) 爆炸復(fù)合 爆炸復(fù)合法即利用爆炸瞬間產(chǎn)生的高溫高壓，使不同的材料結(jié)合到一起的一 種加工工藝。主要特點是：爆炸所產(chǎn)生的高溫高壓，使相互接觸表面的金屬融化 并通過擴(kuò)散使難復(fù)合的金屬結(jié)合到一起；容易實現(xiàn)多層復(fù)合且復(fù)合界面呈波紋 狀，結(jié)合強(qiáng)度高；適于小批量多品種生產(chǎn)，不適于大批量生產(chǎn)。爆炸復(fù)合法的主 要優(yōu)點有：材料組合的適應(yīng)性強(qiáng)，且不改變材料的成分和狀態(tài)；復(fù)合材料的界面 結(jié)合強(qiáng)度比較高；不需要成套的復(fù)雜設(shè)備，實現(xiàn)生產(chǎn)的靈活性大；由于爆炸復(fù)合 具有自清潔效果，所以不需要額外的表面處理。缺點是：爆炸所產(chǎn)生的沖擊波和 聲響給環(huán)境及人們心理帶來了污染和刺激；而且爆炸復(fù)合制備的復(fù)合材料板型很 難控制，并且不適于連續(xù)生產(chǎn)。 ( 3 ) 爆炸一軋制復(fù)合法 爆炸一軋制復(fù)合法是先通過爆炸復(fù)合，再通過熱軋或者冷軋將坯料加工到所 需厚度尺寸的一種工藝。由于爆炸復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度很高，能實現(xiàn)后續(xù)多 次壓力加工而不會出現(xiàn)分層。這種方法彌補(bǔ)了爆炸復(fù)合材料在形狀、尺寸上的一 些限制，可生產(chǎn)復(fù)雜尺寸的復(fù)合材料。爆炸工藝參數(shù)的選取對爆炸一軋制復(fù)合法 很重要，不然會對后續(xù)軋制帶來的一些問題，例如元素的相互擴(kuò)散、脆性化合物 的破裂等。 ( 4 ) 擴(kuò)散焊接法 該方法作為一種常用的復(fù)合加工工藝，能實現(xiàn)對同種或者不同種材料的復(fù) 合。當(dāng)溫度加熱到基材熔點的0 5 0 7 倍時，不使基材出現(xiàn)變形的時候進(jìn)行加壓， 使覆材與基材緊密接觸，使界面原子相互擴(kuò)散而實現(xiàn)結(jié)合。實現(xiàn)擴(kuò)散焊接有很多 種方法，如無助劑異擴(kuò)散和自擴(kuò)散法、過渡液相法、利用助劑和相變超塑性等方 法。對于一些難以焊接的合金，擴(kuò)散焊接法特別適合，尤其是鑄造高溫合金。擴(kuò) 散焊接方法的缺點是界面結(jié)合強(qiáng)度不高，而且對生產(chǎn)設(shè)備的要求較高，但可以可 獲得與基體一致的接頭性能，而且接頭殘余應(yīng)力較小，不會有宏觀的變形。 ( 5 ) 鑄造復(fù)合法 鑄造復(fù)合是將一種固相與另一種液相在鑄模內(nèi)進(jìn)行組合，等到凝固后形成 復(fù)合材料的工藝方法。該方法的主要特點是：自動化程度高、可連續(xù)化生產(chǎn)、生 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章文獻(xiàn)綜述 產(chǎn)成本低，并且應(yīng)用范圍大等。鑄造復(fù)合法可分為雙流鑄造法和包覆鑄造成形法。 雙流鑄造法即雙澆法，是同時對兩種液態(tài)金屬進(jìn)行鑄造，利用不同材料的熔點差 異，首先將低熔點材料澆注在特殊的模腔內(nèi)，然后將模內(nèi)的隔板提升，再把高熔 點材料澆注在隔板提升后的空腔里面，等到凝固后便得到復(fù)合的雙金屬坯料。包 覆鑄造成形法即熔合法，是對已有芯材的一種包覆工藝，該方法主要用于軋制法 難以實現(xiàn)復(fù)合，而且兩種熔點相差特別大的材料。利用該方法的缺點是：產(chǎn)品的 低熔點材料表面易形成微小的縮孔，必須經(jīng)過表面處理后才能進(jìn)行后續(xù)的再加 工，所以會造成制造成本比較高且生產(chǎn)效率低。 ( 6 ) 復(fù)合新技術(shù) 隨著科學(xué)技術(shù)手段的不斷提高，在提高材料性能和降低成本、保護(hù)稀有金 屬等因素的促使下，產(chǎn)生了許多的新型復(fù)合技術(shù)，如：自蔓延高溫合成焊接技術(shù)、 電磁成型復(fù)合、超聲波焊接技術(shù)、激光熔覆技術(shù)、噴射沉積復(fù)合技術(shù)、反向凝固 復(fù)合技術(shù)、液一固相軋制復(fù)合法等。在這些新型復(fù)合技術(shù)中有傳統(tǒng)的技術(shù)，如軋 制、鑄造、爆炸等在復(fù)合方面的運用，也有新的科技手段，如激光熔覆技術(shù)、電 磁成型復(fù)合、超聲波焊接技術(shù)等在復(fù)合方面的運用。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展， 對材料性能和成本的要求會日益嚴(yán)格，金屬層狀材料復(fù)合技術(shù)必將得到不斷的發(fā) 展，新的科技手段在復(fù)合方面將會有更加廣闊的應(yīng)用前景【8 9 】。 1 3 2 金屬復(fù)合機(jī)理 長期以來人們對金屬復(fù)合機(jī)理做了大量的研究探索，但到現(xiàn)在為止，仍有許 多機(jī)理沒有被人們所揭示和理解。隨著研究的深入，研究者們提出了許多不同的 結(jié)合機(jī)理，這些理論研究不僅促進(jìn)了復(fù)合材料理論的發(fā)展，也為生產(chǎn)工藝的制定 提供理論指導(dǎo)；相反，通過不斷改進(jìn)生產(chǎn)工藝，又促進(jìn)了復(fù)合機(jī)理的日益完善。 下文將對金屬固相復(fù)合的一些理論進(jìn)行闡述【1 0 1 。 ( 1 ) 再結(jié)晶理論 基于金屬在塑性變形量很大時再結(jié)晶溫度會下降的事實，j o i n m p a r k s 在 1 9 5 3 年提出了再結(jié)晶理論。該理論認(rèn)為金屬在復(fù)合時主要過程是相互接觸區(qū)域 的再結(jié)晶過程?？梢赃@樣解釋i 兩種金屬一起大變形的時候，由于變形熱效應(yīng)出 現(xiàn)局部升溫，導(dǎo)致接觸邊界的晶格原子進(jìn)行重新排列，形成了同時屬于兩種金屬 的晶體，從而實現(xiàn)了兩種金屬的接觸面的結(jié)合。再結(jié)晶理論可以解釋在熱處理過 程中的復(fù)合材料組織變化行為，但是無法解釋有些低溫復(fù)合現(xiàn)象【1 1 】。 ( 2 ) 金屬鍵理論 m s b u r t o n 通過研究金屬復(fù)合于1 9 5 4 年提出了金屬鍵理論。該理論認(rèn)為， 只有使兩種金屬原子距離足夠近以致產(chǎn)生金屬鍵才能實現(xiàn)金屬結(jié)合。原子引力存 在于任何_ 個固相金屬體內(nèi)的原子之間，不論是同種金屬原子還是不同種金屬原 6 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章文獻(xiàn)綜述 子之間，都有這種原子吸引力作用。隨著兩種金屬原子不斷靠近時，吸引力也逐 漸增加，當(dāng)間距達(dá)到大約兩倍正常原子間距時，這種引力達(dá)到最大值，當(dāng)繼續(xù)靠 近時，吸引力又將逐漸減小，當(dāng)距離約為正常原子間距時，原子吸引力變?yōu)榱恪?此時原子以平衡間距穩(wěn)定排列，兩種金屬接觸面原子的最外層自由電子成為共同 擁有的自由電子，形成了金屬鍵而結(jié)合在一起。該理論認(rèn)為這種復(fù)合機(jī)理存在于 所有的復(fù)合技術(shù)中。金屬鍵理論普遍被人們接受，但是不適用解釋低溫復(fù)合領(lǐng)域 中的問題p 2 。 ( 3 ) 能量理論 該理論于1 9 5 8 年由a n 謝苗諾夫提出。能量理論認(rèn)為，當(dāng)兩金屬表面相互 接觸的時候，就算原子之間到達(dá)了晶格參數(shù)級別的間距，如果原子仍然不能達(dá)到 實現(xiàn)結(jié)合所需的最低能量，是不能實現(xiàn)金屬結(jié)合的。該理論認(rèn)為只有當(dāng)原子獲得 足夠的能量而被激活，然后當(dāng)接觸到一定距離后才可能形成金屬鍵，才實現(xiàn)金屬 之間的結(jié)合。但是該理論的缺點是不能解釋加工硬化，因為加工硬化會使金屬原 子的能量得到增加，但并不能推進(jìn)金屬間的結(jié)合，相反還削弱了金屬間的結(jié)合能 力【1 3 1 。 ( 4 ) 擴(kuò)散理論 在七十年代，h 0 卡扎柯夫根據(jù)金屬學(xué)原理首次提出了擴(kuò)散理論。該理論認(rèn) 為在金屬復(fù)合的加工過程中，由于變形熱效應(yīng)使接觸區(qū)溫度得到升高，導(dǎo)致金屬 原子能量增加而受到激活，兩種金屬接觸界面附近的原子相互擴(kuò)散，形成一層很 薄的過渡層，從而實現(xiàn)兩種金屬之間的復(fù)合。兩種原子的相互擴(kuò)散增加了原子間 產(chǎn)生相互作用的機(jī)會，促進(jìn)金屬之間的結(jié)合。該理論也有缺陷，它沒有考慮到接 觸表面的激活和相互擴(kuò)散對接觸界面實現(xiàn)結(jié)合的影響【1 4 】。 ( 5 ) 位錯理論 位錯理論認(rèn)為兩種接觸的金屬在一起變形的時候，位錯遷移到接觸表面形成 了高度只有原子間距的微小臺階，使接觸表面的氧化膜破裂，增加了雙金屬接觸 表面的粗糙度，導(dǎo)致接觸表面產(chǎn)生的塑性變形比內(nèi)部金屬要大得多，這個過程說 明雙金屬實現(xiàn)復(fù)合的過程就是接觸區(qū)金屬的塑性流動。該理論也存在缺陷，在沒 塑性變形條件下的雙金屬復(fù)合，例如采用鑄造法的雙金屬復(fù)合，該理論就無法解 釋【1 5 】。 ( 6 ) 薄膜理論 薄膜理論認(rèn)為金屬表面的狀態(tài)決定了它們是否能實現(xiàn)結(jié)合，該理論主要適合 解釋異種金屬軋制復(fù)合。該理論認(rèn)為金屬接觸表面的氧化膜是實現(xiàn)結(jié)合的主要障 礙，表面氧化膜越硬越薄，在變形的時候就越容易破裂，暴露出新鮮表面，金屬 間越容易實現(xiàn)結(jié)合。復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度與接觸表面裂紋的數(shù)量和大小直接 7 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章文獻(xiàn)綜述 相關(guān)，只有清除接觸表面的氧化膜，在復(fù)合工藝過程中使接觸表面的原子接近到 一定距離，使原子間吸引力才發(fā)生作用，進(jìn)而實現(xiàn)金屬的結(jié)合【1 4 j 。 ( 7 ) 三階段理論 這個理論認(rèn)為只要是在高溫加壓條件下的金屬復(fù)合都包含三個階段的過程。 第一階段：物理接觸的形成，也就是依靠大的塑性變形，雙金屬中的原子在接觸 面上相互接近到一定的距離，以引起物理作用或者產(chǎn)生弱化學(xué)作用。第二階段： 化學(xué)作用階段，隨著雙金屬接觸表面原子的繼續(xù)接近，接觸表面原子受到激活而 形成化學(xué)鍵，實現(xiàn)了雙金屬的結(jié)合。第三階段：擴(kuò)散階段，在完成物理接觸和實 現(xiàn)初步的弱結(jié)合后，雙金屬接觸面的原子通過接觸面相互擴(kuò)散形成過渡層，以提 高雙金屬的界面結(jié)合強(qiáng)度【1 5 】。 上面所述的各種復(fù)合機(jī)理理論從不同角度揭示了金屬實現(xiàn)結(jié)合的規(guī)律，這些 理論并不相互矛盾，而是相互補(bǔ)充?？梢赃@樣說，目前仍在對雙金屬固相復(fù)合機(jī) 理進(jìn)行更深的探索和認(rèn)識。 1 4 有限元基本理論及a b a q u s 軟件介紹 1 4 1 有限元基本理論 在科學(xué)技術(shù)的計算方法中，對于許多物理和力學(xué)問題，人們已經(jīng)建立了它們 數(shù)學(xué)模型的基本方程( 如：偏微分方程或者常微分方程) 和對應(yīng)的求解條件。解 析方法只能求出方程性質(zhì)比較簡單且?guī)缀涡螤钜?guī)則問題的精確解，但對于大多數(shù) 問題，由于方程具有非線性特征，或者求解域幾何形狀比較復(fù)雜，解析方法不能 求解到答案。解決這樣復(fù)雜問題，通常有兩種辦法：一是簡化模型，引入一些假 設(shè)，建立數(shù)學(xué)模型，將方程和邊界條件化為能夠求解的狀態(tài)，這樣才得到問題的 簡化答案。但是這種辦法只有在一定的情況下是有效的，因為模型經(jīng)過一些簡化 會使誤差很大，甚至得到錯誤的答案。近三十多年來，通過人們的研究，發(fā)展了 另一種求解辦法一數(shù)值解法。隨著計算機(jī)的快速發(fā)展和普及，數(shù)值求解法成為現(xiàn) 代解決科學(xué)技術(shù)問題的重要方法，數(shù)值解法中最重要的方法一有限單元法成為當(dāng) 今工程問題分析中應(yīng)用最多的數(shù)值求解方法。由于有限元法的精確性和普適性， 得到各種工程研究領(lǐng)域的高度重視。隨著計算機(jī)軟件和硬件的更新?lián)Q代，有限元 法已經(jīng)成為c a d c a m 的重要組成部分。在材料加工領(lǐng)域利用有限元方法進(jìn)行 模擬仿真，能直觀的虛擬展示加工過程，能獲得工藝過程中的各種狀態(tài)變量，可 以為制定和優(yōu)化加工工藝、預(yù)測產(chǎn)品質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期提供科學(xué)依據(jù)。 有限單元法的基本思想是把連續(xù)體離散為單元的集合體。將分析對象離散為 網(wǎng)格，這些網(wǎng)格就是所說的單元，網(wǎng)格間的交點稱為節(jié)點。所以，網(wǎng)格中的節(jié)點 數(shù)是有限的，單元也是有限的，所以稱為有限單元法。有限元法分析的思路和步 8 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章文獻(xiàn)綜述 驟是： ( 1 ) 物體離散化，是將分析對象( 如：工程結(jié)構(gòu)件) 離散為