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《暨南大学》 2018年
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二硼化锆增强铜基复合材料的研究

王臣臣  
【摘要】:铜基复合材料具有优异的导电、导热性以及较高的强度,在石油化工、航空航天和电子工业方面得到广泛应用。本文选取具有高强度、高模量、高导电性以及热稳定性良好的ZrB_2陶瓷颗粒并采用热压烧结法成功制备了ZrB_2/Cu复合材料;研究了烧结温度、ZrB_2颗粒含量以及分散剂组成、含量对ZrB_2/Cu复合材料相组成、微结构以及力学、导电性能的影响。在此基础上,进一步采用原位自生成法制备了界面结合良好的ZrB_2/Cu复合材料,并研究了保温时间对ZrB_2合成情况的影响以及烧结温度对其密度、力学性能、导电性能和微观结构的影响。对不同烧结温度(760℃,800℃,840℃,880℃,920℃)下,ZrB_2含量为5wt%的ZrB_2/Cu复合材料的研究结果表明:随着烧结温度的升高,复合材料的相对密度和电导率不断增大;显微硬度则随着烧结温度的升高先增大后减小,在840℃时获得最大显微硬度92.2 HV_(0.2)。XRD和SEM结果均表明晶粒尺寸随着烧结温度的升高而增大。此外,采用热压烧结工艺在烧结温度为840℃时制备了不同ZrB_2质量分数(0-9%)的ZrB_2/Cu复合材料,研究了ZrB_2含量对ZrB_2/Cu复合材料的微观结构、力学性能和导电性能的影响。结果表明,ZrB_2颗粒的添加有效地抑制了晶粒的长大。当ZrB_2含量小于7wt%时,大部分ZrB_2颗粒可以均匀分布于Cu基体中。而当ZrB_2颗粒的含量达到7wt%时,ZrB_2颗粒的团聚变得严重。随着ZrB_2质量分数的增加,复合材料的相对密度和电导率不断降低。然而,ZrB_2/Cu复合材料的显微硬度随着ZrB_2含量的增加先增大后减小,在ZrB_2质量分数为7wt%时显微硬度获得最大值。透射电镜观察发现几个微米大小的六方晶型ZrB_2颗粒可以较好的镶嵌于铜基体,两者界面区可呈现两种形态:增强体和基体直接进行原子结合的界面结构以及增强体和基体之间由非晶过渡层结合在一起的界面结构。研究中发现,当增强颗粒含量较高时,颗粒会在基体中发生团聚,严重影响复合材料的力学性能和导电性能。为了解决这个问题,选取两种分散剂聚乙二醇(PEG)和多聚磷酸钠(STPP),研究了两种分散剂含量对ZrB_2颗粒在基体中的分散性的影响,并讨论了两种分散剂对ZrB_2/Cu复合材料的微观结构、相对密度、硬度和电导率的影响。结果表明,适量的PEG或STPP可以改善ZrB_2颗粒在铜基体中的分散效果,其中,PEG的最佳添加量为0.4wt%,STPP最佳添加量为0.1wt%。研究结果还表明,随着PEG含量的增加,ZrB_2/Cu复合材料的相对密度、显微硬度和电导率先增大后减小,在PEG含量为0.4wt%时获得最优性能。随着STPP掺量的增加,ZrB_2/Cu复合材料的相对密度、显微硬度和电导率也先增大后减小,在STPP掺量为0.1wt%时获得最优性能。基于以上研究,本文还以B粉、铜锆合金粉和铜粉作为原材料,采用原位反应热压烧结法成功制备了原位生成的ZrB_2/Cu复合材料。研究了保温时间对ZrB_2在基体中合成情况的影响和烧结温度对复合材料性能及微观结构的影响。结果表明:延长保温时间有利于ZrB_2的原位生成;原位生成ZrB_2颗粒的尺寸约为3~15μm,而且大部分可以均匀的分散于铜基体中。随着烧结温度的升高,复合材料的密度和电导率不断增大,而显微硬度先减小后增大。
【学位授予单位】:暨南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TB33

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