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基于特征参量的弥散强化铜基复合材料制备及其性能研究

郑翠华  
【摘要】:弥散强化铜基复合材料因具有优良的高强高导性能、抗磨损性能以及抗高温软化性能而备受关注。弥散强化铜基复合材料的主要特征是在铜基体中弥散分布着细小的弥散强化相颗粒,弥散强化相颗粒主要特征参量包括:颗粒自身特性表征参量;颗粒在铜基体中的分布特征参量(数量、大小和间距等)。由于弥散强化铜基复合材料具有的优越性能与弥散强化相颗粒的特征参量密不可分,因此弥散强化相颗粒特征参量的设计问题是弥散强化铜基复合材料应用中的首要问题。 本文以Al_2O_3、SiO_2、SiC和MgO四种不同弥散相纳米颗粒为研究对象,采用粉末冶金法制备了不同增强相颗粒的弥散强化铜基复合材料,将制备的弥散强化铜基复合材料经热挤压后,对其密度、硬度、导电率和热膨胀系数进行了测试,并对复合材料进行了载流摩擦磨损性能测试;研究了增强相颗粒的特征参量对复合材料密度、硬度、导电率、热膨胀系数和摩擦磨损性能的影响,以及各性能之间的内在关联;利用金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)以及透射电镜(TEM)对复合材料进行微观组织分析,以期为弥散强化铜基复合材料的制备和在载流摩擦领域的材料设计提供理论依据。 研究结果表明: 1.随着纳米颗粒体积分数的增加,铜基复合材料的密度和导电率逐渐降低,硬度先升高后降低,在试验范围内,当体积体积分数达到2.0%时,铜基复合材料的综合性能较好。微观组织观察表明,当颗粒体积含量较小时,增强相颗粒弥散分布在Cu基体中;随着纳米颗粒体积分数的增加,纳米颗粒在铜基体晶界处出现团聚。 2.随着纳米颗粒体积分数的增加,铜基复合材料的热膨胀系数降低,在Al_2O_3/Cu、SiO_2/Cu、SiC/Cu、MgO/Cu四种复合材料中,从100℃~300℃升温过程中MgO/Cu复合材料的热膨胀系数比Al_2O_3/Cu、SiO_2/Cu和SiC/Cu要低,当温度达到300℃以上时,SiO_2/Cu复合材料的热膨胀系数最低。 3.在试验范围内,随着Al_2O_3颗粒粒径的增加,Al_2O_3/Cu复合材料的磨损率呈现先降低后升高的趋势。当粒径达到200nm时,磨损率达到最低值,摩擦磨损性能提高。 4.在试验范围内,铜基复合材料的磨损率与颗粒的熔点及其颗粒-基体的膨胀系数的差值呈现一致的变化趋势,颗粒熔点越高,增强相颗粒与基体的膨胀系数差值越小,则该复合材料的磨损率就越低。在载流条件下,铜基复合材料磨损表面主要以塑性变形为主,同时伴随有粘着磨损和电烧蚀磨损。


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