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弥散强化铜基复合材料的制备及抗电蚀性能研究

李韶林  
【摘要】: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均匀细小的、物理和化学性能稳定的陶瓷相颗粒(例如Al_2O_3、CrO_2、TiB_2、SiC等)。弥散强化铜基复合材料不仅在常温下具有良好的导电性能和机械性能,而且在高温下仍具有优越的导电性能和机械性能保持,因此,在高速铁路接触网系统、高压开关触头、微电子及电器控制等电接触服役条件下具有潜在的应用前景。制备方法、弥散相颗粒的含量以及粒径大小是影响弥散强化铜基复合材料的主要性能尤其是抗电蚀性能的重要因素。 本文分别采用内氧化法、冷压烧结法、SPS法三种不同制备方法制备了Al_2O_3/Cu复合材料,研究了制备方法对密度、硬度和导电率等性能的影响;以TiB_2/Cu复合材料为对象,研究了TiB_2含量对材料抗电蚀性能的影响;以Al_2O_3/Cu复合材料为对象,研究了Al_2O_3粒径对材料抗电蚀性能的影响。 研究结果表明: 1.内氧化法作为原位自生工艺,其制备的Al_2O_3/Cu复合材料中的Al_2O_3颗粒与基体具有良好的界面结合,且分布均匀,因而弥散强化效果较好,其硬度最高,可达115HBS,综合性能最好。外加颗粒法引入弥散相颗粒的冷压烧结法和SPS法制备Al_2O_3/Cu复合材料时,基体中的Al_2O_3颗粒均出现一定程度的团聚现象,并更多的出现在晶界处,未能与基体产生良好的界面结合,影响了其性能。其中,作为传统工艺的冷压烧结法制备的复合材料,其晶粒较为粗大,孔隙较多,综合性能相对最差;SPS法作为快速烧结工艺,烧结速度快,制备流程短,其制备的复合材料组织致密,晶粒细小,未出现传统烧结工艺中的晶粒长大现象,材料致密度和导电率最高,分别达到99.18%和96%IACS,但由于未进行后续加工工序,硬度较低。 2.对于TiB_2/Cu复合材料,在试验范围内,随着TiB_2含量的增加,TiB_2颗粒的团聚现象逐渐明显,复合材料的密度和导电率逐渐降低,硬度先升高后降低,其中当TiB_2的体积分数为3%时,TiB_2/Cu复合材料得到相对最好的综合性能,硬度达到75.9HBS,导电率达到86.3%IACS。电蚀试验研究表明,随着TiB_2含量的增加,TiB_2/Cu复合材料的燃弧能量逐渐降低,表面电弧侵蚀熔化程度减轻,整体侵蚀面积减小,材料的整体抗电蚀性能提高。 3.对于Al_2O_3/Cu复合材料,在试验范围内,其抗电蚀性能并未随Al_2O_3颗粒粒径的变化呈现一定趋势,而是在Al_2O_3颗粒粒径为100nm时熔化侵蚀较浅,材料表面较为平整,且熔化和飞溅最少,燃弧能量最低,表现出较好的抗电蚀性能。


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