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TiB_2/TiC_x-TiB_2增强Cu基复合材料的制备与性能

陆建邦  
【摘要】:Cu由于其良好的导电性和延展性,在实际生产中应用十分广泛。但是由于Cu的硬度和强度低、耐磨性差、易氧化,且在500oC以上易软化变形,这些不足导致了Cu的消耗量很大。陶瓷颗粒增强Cu基复合材料具有很高的强度和硬度,良好的耐磨性和抗氧化能力,以及较低的热膨胀系数,且制备工艺简单、成本较低,近年来发展迅速。TiC和TiB_2陶瓷颗粒具有高熔点、高硬度、高导电率、高模量、低密度及良好的化学稳定性等优良性能。因此,在Cu基体中加入TiC和TiB_2颗粒增强相,既能保持Cu良好的导热导电性能,又能提高材料的强度和耐磨性,应用前景更加广阔。燃烧合成(CS)法以其工艺简单、节约能源、生产效率高及产物纯度高等优点,得到了广大研究者的关注。然而通过CS法制备复合材料时不易加压致密化,而且目前通过CS与热压法相结合制备颗粒增强Cu基复合材料的研究还非常有限。 本论文选取Cu-Ti-B/B4C体系为研究对象,将CS与热压法相结合,成功地制备出了高硬度、高强度、耐磨损的原位TiB_2和TiC_x-TiB_2颗粒增强Cu基复合材料。研究了TiB_2和TiC_x-TiB_2陶瓷颗粒含量对颗粒增强Cu基复合材料微观组织、压缩性能以及磨粒磨损性能的影响规律,并研究了合金元素Cr和Zr的添加对复合材料微观组织、压缩性能及磨损性能的影响规律及机理。初步揭示了TiB_2和TiC_x-TiB_2颗粒增强Cu基复合材料的磨损机制。此外,还研究了TiB_2和TiC_x-TiB_2陶瓷颗粒含量对Cu基复合材料导电率、热膨胀系数和导热系数的影响规律及机制。本文的主要研究结果如下: (1)在Cu-Ti-B/B4C体系中,通过燃烧合成与热压法相结合,成功制备出了TiB_2/TiC_x-TiB_2增强Cu基复合材料。揭示出随着TiB_2/TiC_x-TiB_2含量的增加,复合材料的屈服强度,压缩强度和显微硬度增大。陶瓷含量低于60vol.%时,由于TiC_x-TiB_2/Cu复合材料中陶瓷颗粒的尺寸细小,其屈服强度,压缩强度和显微硬度高于TiB_2/Cu复合材料;陶瓷含量为60vol.%时,由于TiB_2颗粒的硬度高于TiCx颗粒,其屈服强度,压缩强度和显微硬度高于TiC_x-TiB_2/Cu复合材料。 (2)揭示出合金元素Cr和Zr添加对TiB_2/TiC_x-TiB_2增强Cu基复合材料压缩性能的影响规律及机制。Cr和Zr在Cu基体中的固溶使α-Cu晶格发生畸变,应力场变强,随Cr和Zr含量的增加,复合材料的屈服强度,压缩强度和显微硬度逐渐增大。此外,Zr还能固溶在TiCx和TiB_2中,进一步提高复合材料的屈服强度,压缩强度和显微硬度。Zr对TiB_2/Cu复合材料的影响作用大于TiC_x-TiB_2/Cu复合材料。当Zr含量为5wt.%时,TiB_2/Cu复合材料的屈服强度,压缩强度和显微硬度比未加Zr时分别提高了98%,88%和52%。当Zr含量为7wt.%时,TiC_x-TiB_2/Cu复合材料的屈服强度,压缩强度和显微硬度比未加Zr时分别提高了65%,45%和59%。加入Zr元素的复合材料的性能要明显优于加入Cr元素的复合材料。 (3)揭示出TiB_2/TiC_x-TiB_2增强Cu基复合材料的体积磨损量随载荷和磨粒粒度变化的规律:随载荷和磨粒粒度的增加,TiB_2/TiC_x-TiB_2增强Cu基复合材料的体积磨损量增加。当陶瓷含量为60vol.%时,TiB_2/Cu和TiC_x-TiB_2/Cu复合材料的耐磨性比纯铜分别提高了3.3和3.4倍。揭示出TiB_2/TiC_x-TiB_2增强Cu基复合材料的磨损机理:首先,Al_2O_3磨粒刺入到Cu基体中,对其进行切割,大量的Cu从复合材料上剥离,TiCx和TiB_2暴露在复合材料表面,它们有效地阻碍了Al_2O_3磨粒对复合材料的显微切削作用,降低了Al_2O_3磨粒切削的有效性,进而降低了材料的体积磨损量。当暴露出来的TiCx和TiB_2从复合材料的表面被切削掉时,Al_2O_3磨粒将会重新对Cu及TiCx和TiB_2进行切削。 (4)揭示出陶瓷含量及合金元素Cr和Zr含量对TiB_2/TiC_x-TiB_2增强Cu基复合材料导电性的影响规律及机制:随着陶瓷和合金元素含量的增加,自由电子散射面积增加,界面的散射作用变强,复合材料的导电率降低。当陶瓷含量相同时,由于TiB_2的导电性高于TiCx,TiB_2/Cu复合材料的导电率高于TiC_x-TiB_2/Cu复合材料。揭示出陶瓷含量及温度对Cu基复合材料热膨胀系数和导热系数的影响规律:随着陶瓷颗粒含量的增加,复合材料的热膨胀系数和导热系数变小;随着温度的升高,复合材料的热膨胀系数增大,而导热系数减小。在陶瓷含量相同时,由于TiB_2的热膨胀系数和导热系数低于TiCx,TiB_2/Cu复合材料的热膨胀系数和导热系数低于TiC_x-TiB_2/Cu复合材料。


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