铝基复合材料制备及性能研究

特铸杂志发表于2026/1/13 15:42:40 Al基复合材料性能研究

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原标题：50AlN/2024Al基复合材料制备及性能研究

1 导读

在新能源汽车、光伏发电、轨道交通等领域快速发展的今天，电力电子器件正朝着更高功率、更小体积、更可靠的方向迈进。作为电能转换的核心——IGBT模块，其散热性能直接关系到整机效率和寿命。传统散热材料已难以满足日益增长的散热需求，如何开发出既具备高导热、又拥有良好力学性能的新型复合材料，成为科研与产业界共同关注的焦点。近期，兰州理工大学的研究团队在《特种铸造及有色合金》上发表了一项重要成果，他们通过优化制备工艺，成功研制出一种高体积分数AlN增强铝基复合材料，在提升散热性能的同时，也保证了材料的力学强度。这项研究为电子封装、大功率器件散热基板等领域的材料选择提供了新思路。

随着电动汽车、5G通信、高端装备等产业的迅猛发展，IGBT等功率模块的工作环境日益严苛，不仅需要承受高压、大电流，还要在有限空间内实现高效散热。一旦散热不良，器件温度升高，将导致效率下降、寿命缩短甚至直接失效。

目前，氮化铝（AlN）陶瓷因其高热导率、与硅芯片匹配的热膨胀系数以及良好的绝缘性，被视为理想的散热基板材料。然而，AlN陶瓷制备成本高、加工难度大，限制了其大规模应用。

相比之下，铝合金成本低、易加工、导热也不错，但热膨胀系数较高，直接与芯片匹配使用时易因热应力导致失效。将AlN颗粒与铝合金结合，制备AlN/Al复合材料，有望在成本与性能之间取得平衡，既发挥AlN的高导热特性，又利用铝合金的加工与经济性优势。

然而，现有研究多集中于低含量AlN增强，对高体积分数下材料的制备工艺、组织调控与综合性能缺乏系统研究。特别是如何让高含量的AlN颗粒在铝基体中均匀分散，避免团聚、孔隙等缺陷，是提升材料性能的关键难题。

2 内容来源

这项研究题为《50AlN/2024Al基复合材料制备及性能研究》，由兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室的硕士研究生杨鹏翔，以及阎峰云教授（同时隶属于甘肃省有色金属及复合材料工程研究中心）共同完成。文章系统探讨了采用直热法粉末触变成形工艺制备高体积分数AlN/2024Al复合材料的过程中，成形温度与保温时间对材料微观组织、力学性能与热物理性能的影响规律，并明确了最优工艺窗口。该论文已正式发表于《特种铸造及有色合金》2025年第45卷第7期。

3 研究亮点

本研究不仅实现了50%高体积分数AlN颗粒在2024铝合金中的均匀分散，还通过系统的工艺实验，明确了“610℃保温20分钟”为最优制备参数。在该条件下，材料综合性能达到最佳：抗弯强度高达497.7 MPa，维氏硬度394.4 HV，热导率达到74.604 W/(m·K)，同时热膨胀系数降低至9.01×10⁻⁶ K⁻¹，展现出作为高性能电子散热材料的巨大潜力。

4 研究方法

研究团队采用了一种名为“直热法粉末触变成形”的独特工艺来制备复合材料。该方法将平均粒径6 μm的高纯度AlN颗粒与粒径25 μm的2024铝合金粉末预先混合，放入模具中预压，随后通过模具直接通电加热，使铝合金基体进入半固态（固液共存）状态，并在压力下成形。这种工艺具有加热快、烧结时间短、所制备材料致密性好的优点。研究重点围绕两个关键工艺参数展开：一是成形温度（550℃、580℃、610℃、640℃），二是保温时间（20、40、60、80分钟），系统分析了它们对复合材料最终性能的影响。

5 内容解读

详细分析了成形温度和保温时间对50AlN/2024Al基复合材料性能的影响。成形温度对复合材料的显微组织、力学性能、断口形貌和热物性能有显著影响。随着成形温度的升高，未熔化的2024合金减少，AlN颗粒和2024合金趋于均匀分布。在610℃时，复合材料的抗弯强度和硬度达到最大值，分别为497.7 MPa和394.4。断口形貌显示，随着成形温度的升高，材料由脆性断裂向韧性断裂转变。热导率先增大后减小，在610℃时达到峰值74.604 W/(m·K)，热膨胀系数先减小后增大，在610℃时最小。保温时间对复合材料的显微组织、力学性能、断口形貌和热物性能也有一定影响。随着保温时间的延长，AlN颗粒分布均匀性降低，抗弯强度和硬度下降，断口形貌中韧窝增多，热导率下降，热膨胀系数上升。保温时间的延长导致AlN颗粒破碎和聚集，增加了材料中的孔隙和界面，降低了材料的力学性能和热物性能。