復合電鑄制備顆粒增強銅基復合材料工藝及性能研究.pdf

1、隨著現代航空航天、電子技術、汽車、機械工業(yè)的快速發(fā)展，對銅的使用提出了更多更高的要求，即在保證銅良好的導電、導熱性能的基礎上，要求銅具有高強度，尤其是良好的高溫力學性能，低的熱膨脹系數和良好的摩擦磨損性能。顆粒增強銅基復合材料應運而生，通過在銅基體中加入或生成具有高強度、高模量、耐磨、耐高溫且密度相對較低的第二相顆粒，銅的室溫、高溫力學性能以及摩擦磨損性能獲得顯著改善，同時，材料的導電性能不會因顆粒的加入而明顯降低。顆粒增強銅基復合材料

2、的這些優(yōu)勢彌補了銅合金化以后在傳導、磨損和高溫性能方面存在的不足。 目前，對于高熔點的金屬，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)表現出一些不足，如制備溫度高、工藝復雜、界面反應嚴重等。另外，隨著納米顆粒在金屬基復合材料中更廣泛的應用，這些物理冶金方法在解決納米顆粒的團聚、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銅基復合材料的推廣和應用。 本研究結合復合電沉積

3、原理和電鑄技術，采用復合電鑄工藝制備顆粒增強銅基復合材料。該工藝簡單、操作溫度低、界面無反應，顆粒分散均勻。同時，還可將材料的制備與成型同時進行，簡化了生產工藝。本文對顆粒增強銅基復合材料的復合電鑄工藝進行考察和優(yōu)化，對該工藝所制備材料的性能進行深入研究和探討。研究內容主要包括以下幾個方面： 首先對SiC、Al<,2>O<,3>兩種顆粒與銅的共沉積促進表面活性劑進行了考察和篩選。結果表明，對于銅/碳化硅和銅/氧化鋁兩種復合體系，

4、效果較好的共沉積促進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>復合材料，顆粒含量高且分散均勻，顆粒與銅基體結合良好，組織結構致密，表面細密、平整。 在成功選擇表面活性劑后，重點研究了顆粒添加濃度和顆粒粒徑大小、攪拌強度、電流密度以及鍍液溫度等工藝參數對SiC、Al<,2>O<,3>顆粒與銅共沉積的影響，并得出以下主要結論： 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值，使復合材料中顆粒含量達到最大。低于和高于這個值，復合材料中顆粒含量降低和趨于穩(wěn)定或略有下降。 2．存在一個攪拌強度值使微米SiC顆粒和微米Al<,2>O<,3>顆粒在復合材料中的含量達到最大。而復合材料中納米SiC顆粒和納米Al<,2>O<,3>顆粒含量隨著攪拌強度的提高而提高。 3．不同粒徑的SiC顆粒在復合材料中的含量都隨電流密度的提高而增加。

6、而復合材料中微米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SiC和Al<,2>O<,3>顆粒在復合材料中的含量都是不利的。綜合考慮材料的組織結構、顆粒含量和鍍速等因素，對SiC顆粒和Al<,2>O<,3>顆粒兩種復合體系，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鍍速都不利，使得復合電鑄的速度降低。 在成功制備顆粒增強銅基復合材料的基礎上，對Cu/SiC復合材料和Cu/Al<,2>O<,3>復合材料的力學性能以及強化機理進行研究和探討。結果表明：不同粒徑SiC顆粒、Al<,2>O<,3>顆粒的加入，提高了銅基復合材料的硬度和強度，材料的塑性降低。粒徑較大的微米顆粒對復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。納米顆粒對材料的力學性能的改善優(yōu)于微米顆粒。 對于微米SiC和微米Al<,2>O<,3>顆粒，復合材料中主要的強化機理是顆粒彌散強化和位錯強化；納米SiC、納米Al<,2>O<,3>顆粒對復合材料的強化機理主要是Orowan位錯強化和細晶強化。材料斷裂的主要機制是裂紋沿顆粒--基體界面生成、擴展，導致界面脫離，最終材料因裂紋貫穿整個材料而斷裂

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

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

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合材料的嚴重磨損，但粒徑較大顆粒的含量的增加不利于復合材料的磨損性能。顆粒粒徑小的復合材料，特別是納米顆粒增強復合材料，在高載荷下表現更加穩(wěn)定，耐磨損性能更優(yōu)異。 本研究采用復合電鑄工藝制備顆粒增強銅基復合材料，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>復合材料。通過對力學性能、物理性能