復(fù)合電鑄制備顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料工藝及性能研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代航空航天、電子技術(shù)、汽車、機(jī)械工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)銅的使用提出了更多更高的要求，即在保證銅良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能的基礎(chǔ)上，要求銅具有高強(qiáng)度，尤其是良好的高溫力學(xué)性能，低的熱膨脹系數(shù)和良好的摩擦磨損性能。顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生，通過在銅基體中加入或生成具有高強(qiáng)度、高模量、耐磨、耐高溫且密度相對(duì)較低的第二相顆粒，銅的室溫、高溫力學(xué)性能以及摩擦磨損性能獲得顯著改善，同時(shí)，材料的導(dǎo)電性能不會(huì)因顆粒的加入而明顯降低。顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料

2、的這些優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)了銅合金化以后在傳導(dǎo)、磨損和高溫性能方面存在的不足。 目前，對(duì)于高熔點(diǎn)的金屬，如銅、鎳等，傳統(tǒng)的一些物理冶金制備方法(如熔鑄法、粉末冶金法等)表現(xiàn)出一些不足，如制備溫度高、工藝復(fù)雜、界面反應(yīng)嚴(yán)重等。另外，隨著納米顆粒在金屬基復(fù)合材料中更廣泛的應(yīng)用，這些物理冶金方法在解決納米顆粒的團(tuán)聚、均勻分散等問題上存在諸多困難，制備難度較大，這在一定程度上限制了納米顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的推廣和應(yīng)用。 本研究結(jié)合復(fù)合電沉積

3、原理和電鑄技術(shù)，采用復(fù)合電鑄工藝制備顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料。該工藝簡(jiǎn)單、操作溫度低、界面無反應(yīng)，顆粒分散均勻。同時(shí)，還可將材料的制備與成型同時(shí)進(jìn)行，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝。本文對(duì)顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的復(fù)合電鑄工藝進(jìn)行考察和優(yōu)化，對(duì)該工藝所制備材料的性能進(jìn)行深入研究和探討。研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面： 首先對(duì)SiC、Al<,2>O<,3>兩種顆粒與銅的共沉積促進(jìn)表面活性劑進(jìn)行了考察和篩選。結(jié)果表明，對(duì)于銅/碳化硅和銅/氧化鋁兩種復(fù)合體系，

4、效果較好的共沉積促進(jìn)表面活性劑分別是氟碳表面活性劑FC-4和十二烷基三甲基氯化銨。采用這兩種表面活性劑所制備的Cu/SiC、Cu/Al<2,>O<,3>復(fù)合材料，顆粒含量高且分散均勻，顆粒與銅基體結(jié)合良好，組織結(jié)構(gòu)致密，表面細(xì)密、平整。 在成功選擇表面活性劑后，重點(diǎn)研究了顆粒添加濃度和顆粒粒徑大小、攪拌強(qiáng)度、電流密度以及鍍液溫度等工藝參數(shù)對(duì)SiC、Al<,2>O<,3>顆粒與銅共沉積的影響，并得出以下主要結(jié)論： 1．不同

5、粒徑的SiC顆粒和Al<,2>O<,3>顆粒在鍍液中的添加量都存在一個(gè)值，使復(fù)合材料中顆粒含量達(dá)到最大。低于和高于這個(gè)值，復(fù)合材料中顆粒含量降低和趨于穩(wěn)定或略有下降。 2．存在一個(gè)攪拌強(qiáng)度值使微米SiC顆粒和微米Al<,2>O<,3>顆粒在復(fù)合材料中的含量達(dá)到最大。而復(fù)合材料中納米SiC顆粒和納米Al<,2>O<,3>顆粒含量隨著攪拌強(qiáng)度的提高而提高。 3．不同粒徑的SiC顆粒在復(fù)合材料中的含量都隨電流密度的提高而增加。

6、而復(fù)合材料中微米Al<,2>O<,3>顆粒的含量則隨電流密度的提高而下降。納米Al<,2>O<,3>顆粒的共沉積受電流密度的影響不明顯；提高鍍液溫度對(duì)SiC和Al<,2>O<,3>顆粒在復(fù)合材料中的含量都是不利的。綜合考慮材料的組織結(jié)構(gòu)、顆粒含量和鍍速等因素，對(duì)SiC顆粒和Al<,2>O<,3>顆粒兩種復(fù)合體系，較為合適的電流密度為8A/dm<'2>，鍍液溫度為30℃。 4．SiC顆粒、Al<,2>O<,3>顆粒在鍍液中添加量的

7、增加，以及兩種顆粒粒徑的減小對(duì)鍍速都不利，使得復(fù)合電鑄的速度降低。 在成功制備顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的基礎(chǔ)上，對(duì)Cu/SiC復(fù)合材料和Cu/Al<,2>O<,3>復(fù)合材料的力學(xué)性能以及強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行研究和探討。結(jié)果表明：不同粒徑SiC顆粒、Al<,2>O<,3>顆粒的加入，提高了銅基復(fù)合材料的硬度和強(qiáng)度，材料的塑性降低。粒徑較大的微米顆粒對(duì)復(fù)合材料硬度的提高效果要大于粒徑小的顆粒，但粒徑小的顆粒對(duì)材料拉伸性能的提高要好于粒徑大的顆粒

8、。納米顆粒能顯著提高材料的硬度和強(qiáng)度，但材料的的塑性下降不顯著，仍保持9％以上的延伸率。納米顆粒對(duì)材料的力學(xué)性能的改善優(yōu)于微米顆粒。 對(duì)于微米SiC和微米Al<,2>O<,3>顆粒，復(fù)合材料中主要的強(qiáng)化機(jī)理是顆粒彌散強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化；納米SiC、納米Al<,2>O<,3>顆粒對(duì)復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)理主要是Orowan位錯(cuò)強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化。材料斷裂的主要機(jī)制是裂紋沿顆粒--基體界面生成、擴(kuò)展，導(dǎo)致界面脫離，最終材料因裂紋貫穿整個(gè)材料而斷裂

9、破壞。電鑄顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的斷口形貌為等軸的韌窩，呈明顯的韌性斷裂特征。 顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的導(dǎo)電和熱膨脹性能測(cè)試結(jié)果顯示，隨微米SiC、微米Al<,2>O<,3>顆粒含量的增加，材料導(dǎo)電性能下降，但仍保持較好的導(dǎo)電性能。材料的熱膨脹系數(shù)隨顆粒含量增加而降低。熱處理后，材料的熱膨脹系數(shù)會(huì)提高。納米SiC顆粒、納米Al<,2>O<,3>顆粒對(duì)材料的導(dǎo)電性能、熱膨脹性能的影響不顯著。這為獲得高強(qiáng)高導(dǎo)電的銅基復(fù)合材料提供了一條有

10、效的途徑。 本研究對(duì)電鑄制備的SiC顆粒、Al<,2>O<,3>顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的室溫磨損性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，電鑄純銅的磨損機(jī)制主要是粘著磨損，顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料則是以磨粒磨損為主的磨損機(jī)制。顆粒的加入提高了復(fù)合材料的硬度和流變應(yīng)力，增強(qiáng)了磨損表面的機(jī)械混合層的強(qiáng)度和硬度，減緩對(duì)磨件對(duì)基體材料的磨損，使復(fù)合材料獲得較好的耐磨損性能。 在低載荷(100N 以內(nèi))下，隨著顆粒含量和顆粒粒徑的增大，復(fù)合材料的耐磨性

11、能提高。在較高磨損載荷(100N以上)下，顆粒的加入有效地延緩了銅基復(fù)合材料的嚴(yán)重磨損，但粒徑較大顆粒的含量的增加不利于復(fù)合材料的磨損性能。顆粒粒徑小的復(fù)合材料，特別是納米顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，在高載荷下表現(xiàn)更加穩(wěn)定，耐磨損性能更優(yōu)異。 本研究采用復(fù)合電鑄工藝制備顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，通過工藝研究、優(yōu)化，成功制備了顆粒分布均勻，含量可控，材料組織致密、完整的Cu/SiC、Cu/Al<,2>O<,3>復(fù)合材料。通過對(duì)力學(xué)性能、物理性能