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《吉林大学》 2011年
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Cu/TiC复合材料的制备,组织结构及摩擦磨损行为

庄健  
【摘要】:铜及其合金在人类发展及生产力提高的漫长历史中起到了举足轻重的作用,随着近代科学技术的迅速发展,铜及其合金以其优异的导电,导热性能,良好的耐腐蚀性能以及加工性能而日益成为工业化过程中不可或缺的金属材料,在人类的生产生活中起到越来越重要的作用。但是铜的硬度,强度较低,耐磨性较差限制了铜及其合金的进一步应用。随着材料科学的发展,材料技术的进步对材料的性能也提出了新的要求,新材料正朝着复合化、高功能化和智能化方向发展。一般来说,提高铜基材料的复合性能,尤其是机械强度和摩擦磨损性能主要采用合金化方法和复合材料化方法。研究表明,采用铜作为基体制备硬质颗粒强化复合材料可以最大程度保留铜优异的导电导热性能。新型粉末冶金技术的快速发展为制备高性能铜基颗粒强化复合材料提供了有效地新途径,也大大扩展了铜基颗粒强化复合材料的成分选择范围。TiC作为最硬的金属碳化物,常用作复合材料中的增强相。但是采用传统方法制备TiC较为困难,而新和成方法如机械合金化方法,高温自蔓延烧结方法等快速发展为TiC的应用及以TiC为增强相的复合材料的制备提供了新的途径。而TiC强化铜基复合材料既具有铜基体优良的导电导热性能,同时又具有良好的耐磨性能而受到人们的关注。本文以机械合金化方法,冷压烧结方法以及放电等离子烧结方法制备TiC强化铜基复合材料,并对复合材料的微观组织结果的演变,机械性能以及摩擦磨损性能进行了分析。 本文首次对机械合金化过程中磨球直径与TiC合成方式的关系进行了数学分析,并加以实验验证。在机械合金化过程中,直径较小的磨球对于粉末的细化作用较好,但是直径较大的磨球在碰撞过程中向粉末传递的能量较多,这导致了在机械合金化制备TiC的过程中,采用较小直径的磨球时发生TiC合成反应所需球磨时间往往较之采用较大直径磨球时所需时间更短,但同时采用较小直径磨球时TiC合成反应无法在短时间内完成,表现为TiC含量随着机械合金化时间的增加而逐渐增加,但采用直径较大的磨球时,TiC合成反应在短时间内完成,表现为机械诱发自蔓燃反应的模式。同时本文在研究中发现采用机械合金化方法还可以获得高度活化的Ti-C复合粉末,在烧结过程中在较低的温度下即可发生TiC合成反应。 本文对不同成分的Cu-Ti-C复合粉末在机械合金化过程中的微观组织变化行为进行了研究分析。在机械合金化过程中,Cu-Ti-C复合粉末的颗粒尺寸随着机械合金化时间的增加先变小后增大,而Cu含量较高的Cu-Ti-C复合粉末在机械合金化过程中出现了明显的团聚现象;在经过不同时间机械合金化的Cu-Ti-C复合粉末中可以发现Ti向Cu中发生固溶,同时C也向Cu中发生了亚固溶;在经过机械合金化的Cu-Ti-C复合粉末中可以发现细小的机械孪晶的存在:经过Cu-Ti-C复合粉末在较低的烧结下就可以发生TiC合成反应,具有较高的活性。 本文采用冷压-烧结方法对在Cu粉中添加活化Ti-C粉末分别进行烧结实验并分析其微观组织的演化,机械性能及摩擦磨损行为。在烧结过程中发生了TiC合成反应,形成了TiC强化复合材料。实验结果显示,随着烧结温度的升高,TiC含量逐渐增加,复合材料的硬度和密度都随着烧结温度的升高而出现了先升高后降低,复合材料的显微组织显示在TiC与Cu基体之间存在有明显的热影响区,改善了Cu基体与TiC之间的界面结合,增强了复合材料的性能。随着Cu粉末与Ti-C粉末混合时球磨强度的增加(混合时间和混合时球磨速度),在复合材料中TiC含量逐渐减少。采用冷压-烧结方法制备的TiC强化Cu基复合材料在摩擦磨损过程中表现为三体磨损形式,随着Ti-C粉末机械合金化时间的增加,复合材料的磨损率降低,随着烧结温度的升高,复合材料的磨损率先降低后升高,而随着Cu粉末与Ti-C粉末混合时球磨强度的增加,复合材料的磨损率也先降低后升高。采用冷压-烧结方法制备的TiC强化复合材料表现出良好的耐磨性能,磨损率最低可达1.96x10-4mm3/Nm. 本文采用放电等离子烧结方法对直接机械合金化的Cu-Ti-C复合粉末以及向Cu粉中添加活化Ti-C粉末分别进行烧结实验并分析其微观组织的演化,机械性能及摩擦磨损行为。实验结果显示,在烧结过程中,两种粉末都发生了TiC合成反应,形成了TiC强化Cu基复合材料。由向Cu粉中添加活化Ti-C粉末烧结得到的复合材料由Cu, TiC以及随烧结温度升高逐渐减少并消失的C组成,而由直接机械合金化的Cu-Ti-C复合粉末烧结得到的复合材料中还含有Cu3Ti2。由两种粉末烧结得到的复合材料中TiC显示出不同的合成机制,由向Cu粉中添加活化Ti-C粉末烧结得到的复合材料中TiC由直接合成反应形成,而由直接机械合金化的Cu-Ti-C复合粉末烧结得到复合材料中的TiC则不仅通过直接合成反应形成,还通过扩散反应的模式合成。由两种粉末烧结得到的复合材料在摩擦磨损过程中表现出不同的磨损机制,由向Cu粉中添加活化Ti-C粉末烧结得到的复合材料在摩擦磨损过程中表现出三体磨损机制,随着实验载荷的增加,磨损表面的第三体机械转移层逐渐变大,并在高载荷下发生破坏。而由直接机械合金化的Cu-Ti-C复合粉末烧结得到的复合材料在摩擦磨损过程中表现为粘着磨损以及在高载荷下出现的磨粒磨损和剥层磨损,并表现出较之由向Cu粉中添加活化Ti-C粉末烧结得到的复合材料更低的磨损率和摩擦系数,而其摩擦磨损行为也更为稳定。由放电等离子烧结得到的复合材料较之采用冷压-烧结方法制备的复合材料表现出更佳的耐磨性能。 本文首次提出向Cu-Sn合金粉末中添加经过机械活化的Ti-C复合粉末以及石墨,Fe, Ni, Cr, Al2O3,并采用冷压烧结方法制备高速列车用制动闸片材料,TiC在烧结过程中合成,有助于改善基体材料与增磨相,润滑相之间的界面结合,提高复合材料的机械性能和耐磨性。实验结果显示,复合材料在烧结过程中发生了TiC合成反应;复合材料的摩擦磨损机制为三体磨损,复合材料的摩擦系数可以通过增磨相TiC和润滑相石墨的含量以及烧结温度加以控制;含有Al2O3的复合材料在高载荷下会发生破碎(200N以上);添加Ni和Cr有助于提高在不同载荷下摩擦系数的稳定性;由此方法制备的高速列车用制动闸片材料表现出良好的耐磨性能,在实验中磨损率均大大低于国际铁路联盟所规定的0.63cm3/MJ的标准。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TF124.5

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 王志伟;Ti-Al-Al_2O_3纳米粉体的机械活化放电等离子烧结[J];材料保护;2005年09期
2 高红霞,刘建秀,朱茹敏;铜基粉末冶金列车闸瓦材料的摩擦磨损性能研究[J];材料科学与工程学报;2005年06期
3 周继承,黄伯云;列车制动摩擦材料研究进展[J];材料科学与工程;1999年02期
4 张厚安,陈平,刘心宇;机械合金化对MoSi_2烧结致密化的影响[J];稀有金属材料与工程;2003年01期
5 李法兵,蒋利军,詹锋,郑强,李谦,王树茂;机械合金化直接合成镁基复合储氢材料研究[J];稀有金属材料与工程;2005年05期
6 李益民,黄伯云,曲选辉,梁叔全,邱光汉;金属注射成形技术进展[J];稀有金属材料与工程;1996年01期
7 朱龙驹;陈喜红;齐斌;陈振华;陈刚;严红革;;高速列车铝基复合材料制动盘及其闸片的研制[J];电力机车与城轨车辆;2006年01期
8 黄建字,吴玉琨,叶恒强;纯铜在球磨过程中的形变机制研究[J];电子显微学报;1994年06期
9 李斗星,平德海,黄建宇,吴玉琨,叶恒强;纳米固体材料的显微结构[J];电子显微学报;1997年03期
10 王广达;方玉诚;罗锡裕;;粉末冶金摩擦材料在高速列车制动中的应用[J];粉末冶金工业;2007年04期
中国博士学位论文全文数据库 前4条
1 王慧远;原位颗粒增强镁基复合材料的制备[D];吉林大学;2004年
2 冉旭;铜基减摩耐磨复合材料的制备与性能研究[D];吉林大学;2005年
3 王德宝;高性能耐磨铜基复合材料的制备与性能研究[D];合肥工业大学;2008年
4 刘学然;铜/碳及氧化硅/磷酸钙纳米功能复合材料的微观结构和性能[D];吉林大学;2008年
【共引文献】
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1 王海庆,李丽,王成国,姚永强;列车制动用摩阻材料的发展趋势[J];工程塑料应用;2000年05期
2 杨小兵,李树军,袁克俭,李茂东;高分子材料的燃烧合成技术及应用[J];工程塑料应用;2001年09期
3 王海庆,王成国,庄光山,李丽,孙毅,姚永强;混杂纤维增强酚醛闸片在提速列车上的应用研究[J];工程塑料应用;2001年12期
4 陈爱武;;PA/Cu复合粉末激光烧结成型机理研究[J];工程塑料应用;2008年06期
5 张文孝;于功志;肖伟星;姚学勇;;水产品喷雾干燥的计算机模拟[J];安徽农学通报;2006年12期
6 章桥新,朱颉安;氧化物增强镍基合金粉末的机械合金化研究[J];兵器材料科学与工程;1992年10期
7 傅定发,宁洪龙,陈振华;喷射沉积技术与双金属材料的制备[J];兵器材料科学与工程;2001年01期
8 汤金芝,李益民;金属注射成形技术及其在兵器工业中的应用[J];兵器材料科学与工程;2001年03期
9 张妍,符寒光,符定梅;提高自蔓延高温合成陶瓷内衬钢管性能的研究[J];兵器材料科学与工程;2002年03期
10 魏坤霞,赵昆渝,魏伟,朱心昆;低温燃烧合成制备非晶氧化铝及其晶型转变[J];兵器材料科学与工程;2005年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 丁莉;姚萍屏;樊坤阳;佘直昌;贡太敏;肖叶龙;赵林;;铝代铅新型铜基自润滑材料及其摩擦磨损性能研究[A];2011年全国青年摩擦学与表面工程学术会议论文集[C];2011年
2 贾成厂;侯昌恒;樊世民;赵军;解子章;;用高能球磨粉末制备W-Cu复合材料[A];复合材料的现状与发展——第十一届全国复合材料学术会议论文集[C];2000年
3 吴艳青;施惠基;;粉末冶金热压过程界面扩散与应力场耦合的力学模型[A];第七届全国爆轰学术会议论文集[C];2006年
4 刘建秀;韩长生;张祖根;王悟;;摩擦材料在无围压和加围压条件下的形变比较[A];Hopkinson杆实验技术研讨会会议论文集[C];2007年
5 林爽;乔英杰;刘爱东;;碳化硼陶瓷的性能及其在核工业领域的应用进展[A];第十五届全国复合材料学术会议论文集(下册)[C];2008年
6 王伟;齐龙浩;潘伟;;细晶TiCN-Mo-Ni金属陶瓷的放电等离子体烧结[A];中国硅酸盐学会2003年学术年会论文摘要集[C];2003年
7 张久兴;刘科高;周美玲;;放电等离子烧结的发展和应用[A];第四届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C];2001年
8 岳明;刘卫强;王公平;张久兴;;烧结NdFeB永磁合金的腐蚀行为研究及进展[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅰ[C];2004年
9 赵廷凯;柳永宁;朱杰武;;纳米材料概述[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅱ[C];2004年
10 张建花;郁黎明;王健;袁淑娟;刘志勇;董彤;张金仓;;脉冲电流快速烧结锰锌铁氧体块材[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集(3)[C];2007年
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1 王永东;氩弧熔敷原位自生颗粒增强镍基复合涂层研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
2 张勇;纳米碳纤维的批量制备技术与装置研究[D];湖南大学;2010年
3 武淑艳;固相再生AZ31B镁合金的组织性能及氧化相表征[D];哈尔滨理工大学;2010年
4 张洁;SiCp/Cu基复合材料的研制及性能研究[D];江苏大学;2010年
5 卫樱蕾;机械化学法降解POP_s实验及机理研究[D];浙江大学;2010年
6 于洁;固体氧化物燃料电池钙钛矿型复合氧化物阴极材料的研究[D];昆明理工大学;2009年
7 宋建荣;7YSZ/Al_2O_3/Ni-343多层热障涂层的同步合成及其性能研究[D];武汉理工大学;2010年
8 肖桂勇;雾化干燥法制备羟基磷灰石微球的结构表征及其生物学行为研究[D];山东大学;2010年
9 祁祥;碳纳米纤维的高温转变及其同质异构结的特性研究[D];武汉大学;2009年
10 卢广林;立方氮化硼仿生耐磨复合材料的制备及其研究[D];吉林大学;2011年
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1 牛顿;粉末冶金铜基摩擦材料制备及摩擦学性能研究[D];安徽工程大学;2010年
2 赵火平;原位合成TiB_2/Al-4Cu复合材料组织和性能的研究[D];南昌航空大学;2010年
3 黄科辉;钛铝化合物的原位复合技术及其组织性能研究[D];南昌航空大学;2010年
4 窦志强;SHS法制备TiB_2-Al_2O_3复相陶瓷的组织及形成机理研究[D];山东科技大学;2010年
5 马怀营;镁储氢性能影响因素的研究[D];山东科技大学;2010年
6 李果林;WC-Co-Ni硬质合金模具材料的制备及摩擦学特性研究[D];浙江理工大学;2010年
7 刘慧苹;高纯度Ti_3Al粉末的制备研究[D];郑州大学;2010年
8 纪文文;超重力燃烧合成YAG陶瓷热力学计算及过程仿真[D];山东农业大学;2010年
9 林爽;低温前驱体裂解法合成碳化硼粉体的研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
10 逄锦程;Al-Pb合金组织性能及高温变形行为研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
【二级参考文献】
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1 刘平,黄金亮,顾海澄,曹兴国,康布熙;快速凝固高强度高导电Cu-Cr合金的组织和性能[J];兵器材料科学与工程;1999年01期
2 丁俭,赵乃勤,师春生,何春年;纳米相增强铜基复合材料制备技术的研究进展[J];兵器材料科学与工程;2005年05期
3 许少凡;顾斌;李政;王成福;;镀铜碳纤维-镀铜石墨-铜基复合材料的制备与性能研究[J];兵器材料科学与工程;2006年05期
4 陈民芳,赵乃勤,李国俊;WC对Cu/WC_P复合材料性能及组织的影响[J];兵器材料科学与工程;1998年06期
5 陶宁,查正根,张良,凤仪;碳纤维表面电镀铜的研究[J];表面技术;2001年04期
6 王志伟;Ti-Al-Al_2O_3纳米粉体的机械活化放电等离子烧结[J];材料保护;2005年09期
7 杨君友,张同俊,李星国,崔崑;材料制备新技术——机械合金化[J];材料导报;1994年02期
8 吴年强,李志章;机械合金化的机制[J];材料导报;1997年06期
9 傅定发,康智涛,陈振华;喷射沉积过程的理论模型[J];材料导报;2000年06期
10 余立新,李晨辉,熊惟皓,陆庆忠;机械合金化过程理论模型研究进展[J];材料导报;2002年08期
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1 杨梨容;魏成富;栾道成;王正云;;二次烧结制备W-15wt%Cu复合材料[J];热加工工艺;2009年10期
2 王蕾;金松哲;孙世成;;Cu/Ti_3AlC_2复合材料的耐磨性研究[J];长春工业大学学报(自然科学版);2008年04期
3 康鹏超;尹钟大;李明伟;姜越;;机械合金化反应烧结制备SiC/MOSi_2复合材料[J];稀有金属材料与工程;2005年12期
4 汤文明;郑治祥;唐红军;吴玉程;任榕;汤志鸣;;原位TiB_2/Fe_3Al基纳米复合材料的合成及其晶粒生长动力学(Ⅰ)——Fe-Al-Ti-B四元粉体的机械合金化[J];材料热处理学报;2006年03期
5 张志俊,王艳文,刘鹤,金松哲;Al_2O_3颗粒强化Ni_3Al合金的机械合金化合成及烧结[J];长春工业大学学报(自然科学版);2005年02期
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8 汤盛龙;李松林;方于虎;刘燚;周伍喜;崔建民;;LaNi_5对机械合金化合成Mg_2FeH_6基复合物放氢性能的影响[J];粉末冶金材料科学与工程;2010年04期
9 张红霞,胡树兵,赵红利,涂江平;Al_2O_3颗粒增强Cu-Zn复合材料的烧结特性研究[J];湖北汽车工业学院学报;2005年02期
10 杨瑞嵩;李明田;;TiC/NiTi形状记忆合金复合材料制备研究现状[J];内江科技;2011年05期
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8 益小苏;王震;刘志真;杨慧丽;丁孟贤;李宏运;;高韧性树脂转移模塑聚酰亚胺复合材料技术[A];航空科学技术学科发展报告(2008-2009)[C];2009年
9 郑媛心;王言伦;王孝军;杨杰;;环氧树脂/AlN复合材料导热性研究[A];2010年全国高分子材料科学与工程研讨会学术论文集(下册)[C];2010年
10 王先平;王伟国;李春;程帜军;方前锋;;Li_5La_3Ta_2O_(12)/Al基高阻尼复合材料的制备和阻尼性能[A];第九届全国固体内耗与力学谱及其应用学术会议论文集[C];2009年
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1 亚兰;亚什兰在华代理TA公司PVC复合材料[N];中国化工报;2008年
2 郑英;江阴自主研发产品获JEC复合材料展创新奖[N];江阴日报;2010年
3 黄丽娟胡伟滨 记者 王方遒;亚洲最大复合材料生产基地在哈建成[N];哈尔滨日报;2007年
4 朱剑红;中国建材收购德国企业[N];人民日报;2007年
5 记者 刘棉柳;EPMC复合材料发展进入新阶段[N];广东科技报;2005年
6 记者 杨静;中国复合材料集团锁定“三高”产品[N];中国建材报;2006年
7 尔基;专注指向成功[N];现代物流报;2007年
8 朱江;帝斯曼复合材料树脂集团推出两个新产品[N];中国建材报;2008年
9 广文;秦皇岛奥体中心获赠“复合材料轻型抗爆炸容器”[N];人民公安报;2008年
10 洋洋;澳大利亚将试飞模块化全复合材料无人机[N];中国航空报;2007年
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1 庄健;Cu/TiC复合材料的制备,组织结构及摩擦磨损行为[D];吉林大学;2011年
2 袁辉;碳/碳复合材料刚度与强度预测模型研究[D];南京航空航天大学;2009年
3 聂军武;CoFe_2O_4-BaTiO_3磁电复合材料的制备及性能研究[D];南京航空航天大学;2009年
4 袁磊;利用反应烧结法制备Si_3N_4复合材料及其多孔材料的研究[D];东北大学;2008年
5 许文娇;废弃环氧树脂再生技术及应用研究[D];东华大学;2011年
6 尹昌平;共注射RTM制备承载/隔热/防热一体化复合材料[D];国防科学技术大学;2009年
7 康建立;铜基体上原位合成碳纳米管(纤维)及其复合材料的性能[D];天津大学;2009年
8 韩相华;铁基微粉/粘合剂复合材料的微波吸收性能研究[D];兰州大学;2010年
9 王宝来;三维编织复合材料的力学性能和尺寸效应研究[D];哈尔滨工业大学;2009年
10 孟黎清;飞机蜂窝结构动态冲击下的破坏机理及吸收能量分配机制[D];太原理工大学;2011年
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1 卜军;含端乙焕基硅/氮树脂及其复合材料的研究[D];华东理工大学;2012年
2 石品品;碳纤维增强聚对苯二甲酸乙二醇酯复合材料的制备和性能研究[D];华东理工大学;2012年
3 沈艳萍;高介电常数氰酸酯基复合材料的研究[D];苏州大学;2011年
4 蔡国锋;竹粉/聚丙烯复合材料的研究[D];华东理工大学;2012年
5 梁少旭;含孔隙复合材料的强度分析研究[D];南京航空航天大学;2010年
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7 金莹莹;周期微六面体点阵复合材料带隙阻尼特性研究[D];大连理工大学;2012年
8 蒋园园;光纤光栅传感器应用于复合材料损伤监测的研究[D];武汉理工大学;2012年
9 滕祥萌;复合材料闭合薄壁梁的模态阻尼预测[D];山东科技大学;2011年
10 姜舜;复合材料的多平面加强柱壳结构研究[D];华中科技大学;2011年
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