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Ti_3SiC_2弥散强化铜基复合材料的制备和性能研究

高闰丰  
【摘要】:石墨弥散强化铜合金是一类广泛使用的电接触材料,由于其具有良好的导电性、导热性以及石墨带来的自润滑性能等而被用于制造电力机车受电弓滑板。然而,也正是由于石墨性软以及其热膨胀系数跟铜差别比较大,导致其在抗拉伸、冲击等力学性能方面存在一些不足。 Ti_3SiC_2是一种新型的结构陶瓷材料,由于其兼具了金属材料和陶瓷材料的诸多优异性能而成为近年来材料研究人员研究的焦点。Ti_3SiC_2的常温电导率是9.6×10~(-6)Ω~(-1)·m~(-1),这比石墨大了近两个数量级。在25~1000℃的温度范围内,Ti_3SiC_2的热膨胀系数是(10~11)×10~(-6)·℃~(-1),这与铜的热膨胀系数17×10~(-6)·℃~(-1)比较接近。Ti_3SiC_2的抗压强度、杨氏模量以及硬度分别是900MPa,326GPa,4GPa。更为重要的是,Ti_3SiC_2在1300℃时具有很好的抗氧化能力,远高于石墨。正是由于具备这些优良的性能,Ti_3SiC_2被认为是能取代石墨作为电摩擦材料最好的选择。 本文用Cu粉和Ti_3SiC_2粉,结合热压烧结的工艺方法,成功地制备了Ti_3SiC_2弥散强化铜基复合材料——Cu/Ti_3SiC_2。文章通过在改变增强相Ti_3SiC_2的含量,分别为5vol%,10vol%,15vol%,20vol%,25vol%和30vol%,来制备不同的复合材料,通过性能分析得到最佳的强化相含量为15vol%。另外通过比较在不同烧结工艺下制备的试样,得出最佳烧结工艺为900℃,压力30MPa,保温2h。对性能的测试结果表明,随着Ti_3SiC_2含量的增加,材料的相对密度降低,在烧结保温时间上也是随着保温时间的延长,晶粒在长成之后的继续不规则长大,造成致密程度降低。Cu/Ti_3SiC_2复合材料的电阻率也是随着Ti_3SiC_2颗粒的增多和保温时间的延长而逐渐降低。通过对试样在不同温度热处理后的硬度测试,只有Ti_3SiC_2含量为5vol%的Cu/Ti_3SiC_2复合材料的软化温度低于900℃。通过对比,得出Cu/Ti_3SiC_2与Cu/石墨复合材料的摩擦系数与之相当,但是在抗压强度和硬度等力学性能方面要好一些。 通过对Ti_3SiC_2颗粒表面进行化学镀铜处理,再与Cu粉混合制备出Cu/Ti_3SiC_2颗粒增强复合材料,通过与用未经处理过的Ti_3SiC_2颗粒制备的Cu/Ti_3SiC_2复合材料进行对比。从材料的显微结构照片和断口照片上可以看出,在Cu基体中加入镀铜处理的Ti_3SiC_2颗粒,可以改善基体与增强相之间的润湿性,使增强相均匀分布在基体材料中,形成均匀的颗粒增强复合材料。从而提高了Cu/Ti_3SiC_2复合材料的致密程度,材料致密度的提高也就表现在材料的导电


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