Zn/Si/（Zn，Sn，Mn）NMn_3低热膨胀复合材料的制备与物性研究

在负热膨胀材料家族中,反钙钛矿锰基氮化物(化学通式为ANMn3,其中A为过渡金属或主族元素)因其各向同性的负热膨胀效应和优异的电导率、热导率、力学性能而受到关注。金属/ANMn3复合材料具有较好的热学性能,如低热膨胀和高热导率,在电子封装、机械系统和结构设计等领域显现出巨大的应用潜力。但金属/ANMn3复合材料的研究进展却相对缓慢,现有的研究主要是利用ANMn3降低常用金属(如铜、铝和钛)的热膨胀系数,但由于这些金属的熔点接近甚至高于ANMn3的成相温度,难以获得较好的复合界面,这使得金属/ANMn3复合材料的实际应用受到了一定限制。因此,制备具有较好综合性能及复合界面的金属/ANMn3复合材料仍然是一个挑战。本文采用低熔点金属粘接法,以低熔点、高热导的金属Zn为粘接剂,以原料廉价的ANMn3型化合物(Zn,Sn,Mn)NMn3为正膨胀抑制剂,围绕Zn基(Zn,Sn,Mn)NMn3型复合材料做了如下工作:一、制备了不同体积比的Zn/Zn0.75Sn0.2Mn0.05NMn3复合材料,实验结果表明低熔点粘接法有效控制了界面反应,且Zn0.75Sn0.2Mn0.05NMn3有效抑制了 Zn的正膨胀。当Zn0.75Sn0.2Mn0.05NMn3含量为40 vol%时,复合材料在253-304 K具有近零膨胀效应(线膨胀系数αL=1.8 ppm/K),同时在室温下具有较高的热导率(46 W/K m)和较高的抗压强度(241 MPa)。但该类复合材料在高低温段的热膨胀系数仍然较大,不利于其实际应用。二、在两相复合工作的基础上,加入具有低膨胀、高热导的Si作为第三相,同时为了得到室温以上的低膨胀,选用负热膨胀温区在室温以上的Zn0.65Sn0.3Mn0.05NMn3,制备了不同体积比的 Zn/SiZn0.65Sn0.3Mn0.05NMn3三相复合材料。实验结果表明,复合材料的热膨胀系数因Si的加入而显著降低,当Zn、Si和Zn0.65Sn0.3Mn0.05NMn3的体积比为0.28:0.55:0.17时,复合材料具有低膨胀(αL=6.1 ppm/K,165-360 K),室温下的高热导率(52 W/K m)和高抗压强度(225 MPa)。该类复合材料在中低功耗电子热管理领域具有潜在应用价值。