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原位化学法制备纳米ZrO_2/Cu复合材料的研究

丁俭  
【摘要】: 颗粒增强铜基复合材料具有高的比强度、比模量、良好的导电性能和高温性能等,在电阻焊电极、引线框架和电接触材料等需要高强度、高导电的工业领域中具有广泛的应用前景。但是传统的粉末冶金、铸造等工艺很难克服纳米颗粒浸润性不良和分散性不均的问题。本文采用原位化学方法制备了纳米ZrO_2-Cu复合粉末,并用粉末冶金制备了ZrO_2/Cu复合材料。 通过原位化学工艺制备了纳米ZrO_2含量为0~8wt%的ZrO_2-Cu复合粉末,研究了反应物浓度、煅烧温度、还原温度、时间等化学工艺参数对复合粉末、复合材料性能与微观结构的影响,分析了3mol%Y2O3的加入对形成的ZrO_2晶体结构以及复合材料微观结构和性能的影响。结果表明:稳定剂Y2O3的加入有助于细化铜基体晶粒,提高复合材料的硬度、电导率等综合物理性能;当ZrOCl2浓度0.1mol/L、氨水浓度0.5mol/L,煅烧温度500℃,还原温度650℃,还原时间45min时,制备的纳米ZrO_2颗粒的尺寸小,在基体铜粉中呈弥散分布,且复合粉的粒径均匀、团聚小,纳米ZrO_2/Cu复合材料的综合性能最佳。 采用粉末冶金工艺对原位化学法制备的ZrO_2-Cu复合粉末进行冷压-烧结后制备了ZrO_2/Cu复合材料。研究了初压压力、烧结温度、时间和复压压力对复合材料微观结构、性能的影响,获得了优化的粉末冶金工艺参数。同时,研究了纳米ZrO_2含量对复合材料性能的影响。结果表明:纳米ZrO_2颗粒的加入能够提高复合材料的抗拉强度、硬度,但是会使电导率有所下降。复合材料的抗软化性能随着纳米ZrO_2含量的增加而显著提高。 采用透射电子显微镜和扫描电子显微镜分析了纳米ZrO_2/Cu复合材料的微观组织和界面特征;利用ANSYS软件建立了不同ZrO_2晶型下应力分布的模型,并研究了晶型对复合材料力学性能的影响;探讨了细晶强化和弥散强化这两种主要的强化机制在纳米ZrO_2/Cu复合材料中的强化作用。结果表明:纳米ZrO_2/Cu复合材料组织致密、晶粒细小,ZrO_2颗粒均匀地分布在基体中。随着纳米ZrO_2颗粒含量的增加,复合材料缺陷增加。ZrO_2颗粒在Cu基体中呈现单斜、四方两种晶体结构。单斜晶型ZrO_2颗粒与铜基体之间是界面清晰、无界面反应产物的直接结合型界面;四方结构ZrO_2与铜基体之间的界面类型为直接结合型和溶解扩散型界面。单斜结构ZrO_2尖端界面处的应力远远大于四方结构界面处产生的应力,因此,在单斜结构ZrO_2尖端处更容易产生内裂纹。纳米ZrO_2/Cu复合材料的主要强化机制是细晶强化和弥散强化,其中细晶强化对复合材料强度增量占总强度增量的67.43%;弥散强化对复合材料的强度增量占总强度增量的11.73%。 采用销-盘式摩擦方法对纳米ZrO_2/Cu复合材料的摩擦磨损性能进行了研究,分析了不同载荷、转速、转数和介质对复合材料摩擦磨损性能的影响。结果表明:随着纳米ZrO_2颗粒含量的增加,复合材料耐磨损性能逐渐增强。随着载荷、转速和摩擦转数的增加,复合材料的磨损量逐渐增加,而摩擦系数则以不同形式增加,这主要是由于磨损过程中主要磨损机制不同造成的。纳米ZrO_2/Cu复合材料主要磨损机理的转变过程是:氧化磨损→氧化磨损+粘着磨损→粘着磨损+氧化磨损+剥层磨损→粘着磨损+剥层磨损。当主要磨损机制为氧化磨损或粘着磨损时,纳米颗粒增强相有利于提高复合材料的耐磨性;而当剥层磨损或颗粒破裂导致的三体磨粒磨损为主要机制时,纳米颗粒团聚、孔洞、疏松等缺陷则会降低复合材料的耐磨性。


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