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《哈尔滨工业大学》 2017年
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ABO_3铁电陶瓷增强铜基复合材料的热物理性能及相变行为

盛捷  
【摘要】:低膨胀材料在电子封装、热沉材料、精密仪器结构件等领域具有广泛应用。通过加入具有负膨胀的的陶瓷颗粒制成低膨胀的铜基复合材料具有广阔的发展前景。本文采用具有ABO3钙钛矿结构的铁电陶瓷作为铜基复合材料的增强体,利用铁电陶瓷发生铁电顺电相变时伴随的巨大的负膨胀效应降低复合材料的热膨胀系数。通过不同烧结工艺,陶瓷颗粒表面涂层处理,制备了具有不同微观组织和界面状态的钛酸锶钡(SBT)增强铜基复合材料(SBT/Cu)。在对复合材料的微观组织、热物理性能、复合材料内陶瓷相变行为、复合材料内应力状态的测试和分析基础上,深入地分析了复合材料热物理性能和陶瓷相变行为及应力状态之间的关系。SPS方法制备的SBT/Cu复合材料具有较低的热膨胀系数。SBT/Cu复合材料组织致密,界面光滑平直,SBT陶瓷颗粒在Cu基体中分布均匀。界面附近存在塑性变形,包括位错、孪晶等,因为复合材料内两相的热膨胀系数差异,造成界面处存在热错配应力。退火处理可以松弛复合材料内残余应力,减小Cu基体的晶格常数,降低复合材料的热膨胀系数。室温下SBT/Cu复合材料中同时存在四方相(T相)和立方相(C相)SBT颗粒,复合材料内残余应力影响了SBT颗粒的相结构。朗道德冯西亚理论分析表明,复合材料内SBT颗粒的居里温度在降温过程中被降低,在升温过程中被升高,相变温度区间被拓宽。SBT/Cu复合材料的低热膨胀系数,一方面来自于复合材料内SBT颗粒的相变行为,一方面来自于升温过程中复合材料内应力状态的演变。真空热压烧结制备的氧化亚镍涂层处理钛酸锶钡增强铜基复合材料[(NiOSBT)/Cu],NiO涂层分布在复合材料界面处,增加了界面处的粗糙度,改善了复合材料界面结合状态。(NiO-SBT)/Cu复合材料致密,SBT颗粒分散性良好,复合材料致密。因热错配应力,界面处存在微观塑性变形。退火处理可以松弛(NiO-SBT)/Cu复合材料内残余应力,减小Cu基体晶格常数,降低复合材料热膨胀系数。室温下,复合材料内同时存在T相和C相SBT颗粒,退火和塑性变形处理可以提高(NiO-SBT)/Cu复合材料T相SBT颗粒比例,德拜沃勒分析表明,T相SBT颗粒在升温过程中不断发生相变转化为C相,复合材料热膨胀系数被降低。钛酸铅(PT)颗粒从室温至居里温度都表现出负膨胀现象。PT/Cu复合材料在室温至350°C都可以获得平稳的热膨胀系数,PT颗粒的体积分数越高则复合材料的热膨胀系数越低。原位升温XRD结果表明,在升温过程中PT晶胞中的a轴长度逐渐增加,c轴长度逐渐减小,晶胞体积逐渐减小。400°C之后,PT晶胞中a轴长度和c轴长度快速接近,PT陶瓷颗粒开始发生相变,PT晶胞体积快速减小,Cu晶格常数随温度而增加受到明显限制。PT/Cu复合材料内PT颗粒的相变温度被拓宽,PT的负膨胀限制了Cu基体的膨胀,因此获得了平稳的热膨胀系数。SBT颗粒发挥了颗粒增强的作用,同时增加了Cu基体内的位错、孪晶的密度,因此SBT颗粒的加入提高了SBT/Cu复合材料的屈服强度,降低了复合材料的塑性。由于SBT陶瓷发生相变时巨大的负膨胀效应,本文制备的复合材料中采用较低的体积分数的SBT颗粒,因此SBT/Cu复合材料和(NiO-SBT)/Cu复合材料都具有相对较高的热导率和电导率。同时,复合材料的热导率和电导率可以通过SBT颗粒的体积分数进行调节。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TB333

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