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复合电铸制备颗粒增强铜基复合材料工艺及性能研究

朱建华  
【摘要】: 随着现代航空航天、电子技术、汽车、机械工业的快速发展,对铜的使用提出了更多更高的要求,即在保证铜良好的导电、导热性能的基础上,要求铜具有高强度,尤其是良好的高温力学性能,低的热膨胀系数和良好的摩擦磨损性能。颗粒增强铜基复合材料应运而生,通过在铜基体中加入或生成具有高强度、高模量、耐磨、耐高温且密度相对较低的第二相颗粒,铜的室温、高温力学性能以及摩擦磨损性能获得显著改善,同时,材料的导电性能不会因颗粒的加入而明显降低。颗粒增强铜基复合材料的这些优势弥补了铜合金化以后在传导、磨损和高温性能方面存在的不足。 目前,对于高熔点的金属,如铜、镍等,传统的一些物理冶金制备方法(如熔铸法、粉末冶金法等)表现出一些不足,如制备温度高、工艺复杂、界面反应严重等。另外,随着纳米颗粒在金属基复合材料中更广泛的应用,这些物理冶金方法在解决纳米颗粒的团聚、均匀分散等问题上存在诸多困难,制备难度较大,这在一定程度上限制了纳米颗粒增强铜基复合材料的推广和应用。 本研究结合复合电沉积原理和电铸技术,采用复合电铸工艺制备颗粒增强铜基复合材料。该工艺简单、操作温度低、界面无反应,颗粒分散均匀。同时,还可将材料的制备与成型同时进行,简化了生产工艺。本文对颗粒增强铜基复合材料的复合电铸工艺进行考察和优化,对该工艺所制备材料的性能进行深入研究和探讨。研究内容主要包括以下几个方面: 首先对SiC、Al_2O_3两种颗粒与铜的共沉积促进表面活性剂进行了考察和筛选。结果表明,对于铜/碳化硅和铜/氧化铝两种复合体系,效果较好的共沉积促进表面活性剂分别是氟碳表面活性剂FC-4和十二烷基三甲基氯化铵。采用这两种表面活性剂所制备的Cu/SiC、Cu/Al_2O_3复合材料,颗粒含量高且分散均匀,颗粒与铜基体结合良好,组织结构致密,表面细密、平整。 在成功选择表面活性剂后,重点研究了颗粒添加浓度和颗粒粒径大小、搅拌强度、电流密度以及镀液温度等工艺参数对SiC、Al_2O_3颗粒与铜共沉积的影响,并得出以下主要结论: 1.不同粒径的SiC颗粒和Al_2O_3颗粒在镀液中的添加量都存在一个值,使复合材料中颗粒含量达到最大。低于和高于这个值,复合材料中颗粒含量降低和趋于稳定或略有下降。 2.存在一个搅拌强度值使微米SiC颗粒和微米Al_2O_3颗粒在复合材料中的含量达到最大。而复合材料中纳米SiC颗粒和纳米Al_2O_3颗粒含量随着搅拌强度的提高而提高。 3.不同粒径的SiC颗粒在复合材料中的含量都随电流密度的提高而增加。而复合材料中微米Al_2O_3颗粒的含量则随电流密度的提高而下降。纳米Al_2O_3颗粒的共沉积受电流密度的影响不明显;提高镀液温度对SiC和Al_2O_3颗粒在复合材料中的含量都是不利的。综合考虑材料的组织结构、颗粒含量和镀速等因素,对SiC颗粒和Al_2O_3颗粒两种复合体系,较为合适的电流密度为8A/dm2,镀液温度为30℃。 4. SiC颗粒、Al_2O_3颗粒在镀液中添加量的增加,以及两种颗粒粒径的减小对镀速都不利,使得复合电铸的速度降低。 在成功制备颗粒增强铜基复合材料的基础上,对Cu/SiC复合材料和Cu/Al_2O_3复合材料的力学性能以及强化机理进行研究和探讨。结果表明:不同粒径SiC颗粒、Al_2O_3颗粒的加入,提高了铜基复合材料的硬度和强度,材料的塑性降低。粒径较大的微米颗粒对复合材料硬度的提高效果要大于粒径小的颗粒,但粒径小的颗粒对材料拉伸性能的提高要好于粒径大的颗粒。纳米颗粒能显著提高材料的硬度和强度,但材料的的塑性下降不显著,仍保持9%以上的延伸率。纳米颗粒对材料的力学性能的改善优于微米颗粒。 对于微米SiC和微米Al_2O_3颗粒,复合材料中主要的强化机理是颗粒弥散强化和位错强化;纳米SiC、纳米Al_2O_3颗粒对复合材料的强化机理主要是Orowan位错强化和细晶强化。材料断裂的主要机制是裂纹沿颗粒-基体界面生成、扩展,导致界面脱离,最终材料因裂纹贯穿整个材料而断裂破坏。电铸颗粒增强铜基复合材料的断口形貌为等轴的韧窝,呈明显的韧性断裂特征。 颗粒增强铜基复合材料的导电和热膨胀性能测试结果显示,随微米SiC、微米Al_2O_3颗粒含量的增加,材料导电性能下降,但仍保持较好的导电性能。材料的热膨胀系数随颗粒含量增加而降低。热处理后,材料的热膨胀系数会提高。纳米SiC颗粒、纳米Al_2O_3颗粒对材料的导电性能、热膨胀性能的影响不显著。这为获得高强高导电的铜基复合材料提供了一条有效的途径。 本研究对电铸制备的SiC颗粒、Al_2O_3颗粒增强铜基复合材料的室温磨损性能进行了测试。结果表明,电铸纯铜的磨损机制主要是粘着磨损,颗粒增强铜基复合材料则是以磨粒磨损为主的磨损机制。颗粒的加入提高了复合材料的硬度和流变应力,增强了磨损表面的机械混合层的强度和硬度,减缓对磨件对基体材料的磨损,使复合材料获得较好的耐磨损性能。 在低载荷(100N以内)下,随着颗粒含量和颗粒粒径的增大,复合材料的耐磨性能提高。在较高磨损载荷(100N以上)下,颗粒的加入有效地延缓了铜基复合材料的严重磨损,但粒径较大颗粒的含量的增加不利于复合材料的磨损性能。颗粒粒径小的复合材料,特别是纳米颗粒增强复合材料,在高载荷下表现更加稳定,耐磨损性能更优异。 本研究采用复合电铸工艺制备颗粒增强铜基复合材料,通过工艺研究、优化,成功制备了颗粒分布均匀,含量可控,材料组织致密、完整的Cu/SiC、Cu/Al_2O_3复合材料。通过对力学性能、物理性能及摩擦磨损性能的研究考察,确定了复合电铸工艺制备的不同粒径颗粒增强铜基复合材料的性能特点、强化机制,为材料的实际应用提供理论参考。研究所制备的的纳米颗粒增强铜基复合材料表现出优异的力学性能、抗磨性能以及良好的导电性能,为高强高导电材料的制备和应用提供了新的思路。


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