Cu—Cr2AlC复合材料的制备工艺研究毕业论文.doc
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1、毕 业 论 文题 目: Cu/Cr2AlC复合材料的制备工艺研究 学 院: 材料科学与工程学院 年级、专业 : 2009级 材料科学与工程 学 生 姓 名: 学 号: 指 导 教 师: 完 成 时 间: 2013年6月6日 30目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1 引言11.2 铜基复合材料21.3 Cu/Cr2AlC复合材料21.4 铜基复合材料的制备31.4.1铜基复合材料制备方法31.4.2 铜基复合材料制备中存在的问题61.5 本论的主要研究内容7第2章 试验方法82.1 试验材料82.2 试验仪器及用具82.3 试验方案82.4 试验步骤92.4.1 制粉102.
2、4.2 制坯102.4.3 真空烧结102.5 金相试样的制备及组织观察112.6 性能测试方法112.6.1 密度的测试和计算112.6.2 显微硬度的测试122.6.3 电阻率的测试和计算132.6.4 压缩率的测试和计算132.7 本章小结13第3章 试验结果及分析讨论143.1 密度143.2 显微结构163.3 电阻率183.4 显微硬度193.5 压缩塑性对材料密度及显微硬度的影响203.6 复合材料组织在扫描电镜下的形貌223.7 Cr2AlC在复合材料中的分布233.7.1 面分析233.7.2 点分析253.8 本章小结26第4章 结论27总结与体会28致 谢29参考文献30
3、Cu/Cr2AlC复合材料的制备工艺研究摘 要本论文中采用粉末冶金法将铜粉与Cr2AlC粉末均匀混合后,通过真空烧结制得了Cu/Cr2AlC复合材料。研究了Cr2AlC含量及烧结温度对复合材料的密度、显微硬度、塑性形变及电阻率的影响。通过SEM和EDS分析了复合材料结构和成分。研究结果表明:当烧结温度在700800范围内,Cr2AlC含量不超过15%时,在相同烧结温度下,随着Cr2AlC含量的增加,复合材料的密度逐渐减小,显微硬度逐渐增大,电阻率逐渐提高,塑性形变逐渐减小;而在Cr2AlC含量不变的情况下,随着烧结温度的提高,复合材料的密度和显微硬度都逐渐增大,塑性形变逐渐减小。压缩变形后提高
4、了硬度和致密度。关键词:Cu/Cr2AlC复合材料;混合真空烧结;复合材料的密度;硬度;电阻率;塑性形变;微观结构AbstractIn this paper powder metallurgy method is adopted in mixing the copper powder with Cr2AlC uniformly, and then Cu/Cr2AlC composite material was obtained by vacuum sintering. Research the impact of Cr2AlC content and sintering temperatur
5、e on the density, microhardness, compressive strength and resistance of the composites. Analyze the structure and composition of composite by SEM and EDS. The results showed that: When the sintering temperature is in the range of 700 800 and Cr2AlC content does not exceed 15%, while it is in the sam
6、e sintering temperature, with the increasing of Cr2AlC content, the density and plastic deformation decreases, the microhardness and resistivity of the composite increases, and while the Cr2AlC content is out of range, with the raising of the sintering temperature, the density and microhardness incr
7、eases, plastic deformation decreases. Density and microhardness of the composite has been developed by plastic deformation.Keywords: Cu/Cr2AlC composite materials; the mixed vacuum sintering; density of the composite; hardness; conductivity; plastic deformation; microstructure.第1章 第1章 绪 论1.1 引言铜及其合金
8、的导热、导电、耐腐蚀、接合性、可加工延展等性能优异,且价格适中,是传统的高导电、高导热材料16。作为一种不可缺少的基础材料,它广泛应用于电子电器工业,以及电力仪表军工等行业1,2。但这类材料一般较软,不适合高强度制品应用。因此,铜基复合材料这一类具有优良综合性能的新型结构功能一体化材料成为非常重要的研究对象2。铜基复合材料既有紫铜的优良导电性,又有一定的强度和耐磨性16,在各类领域都有广泛应用。因此,研制高导电率、高强度7,8的铜基复合材料是发挥铜的优良性能和开发其应用领域的一种有效方法1。为了达到高强度而又不过分影响其导电性的目的,关于铜基复合材料的增强材料9,10,近年来,一类具有层状结构
9、的三元碳化物3或氮化物的新型结构陶瓷受到了材料科学工作者的广泛重视。这些化合物可以用统一的分子式 Mn+1AXn3来表示,这里 M 一般1在接近密堆的 M 原子层中插入纯 A 原子层,X 原子填入由 M 组成的八面体间隙内。或者可描述为 T6X 八面体与 A 原子层在垂直 a 轴方向周期堆垛。在这些结构中,主要的区别是分隔 A 原子层的 M 原子层数不同。在 211 相中,M 原子层数为 2;在 312 相中,M 原子层数为 3;在 413 相中,M 原子层数为 4。在 Mn+1AXn相中,M-A 键具有非常明显的金属键的特征,而M-X键主要是共价键和离子键,所以它们同时具有金属和陶瓷的优良性
10、能。M为早期的过渡金属元素,A 主要为第 III 和 IV 族元素,X 为 C 或 N 元素,n=1、2、3。自 1967 年 Ti3SiC2等 Mn+1AXn相化合物16被发现以来,已知的 Mn+1AXn相化合物已有50 多种。像金属一样,在常温下有很好的导热性能、导电性能、抗热震性、较高的弹性模量和剪切模量13,由于具有较低的硬度,可以像金属和石墨一样进行机械加工,在高温下具有塑性;同时,它又具有陶瓷材料的性能,比如高屈服强度、高熔点、高热稳定性和良好的抗氧化性能和耐腐蚀性;更为特别地是,具有非同寻常的耐磨性和自润滑性36。Mn+1AXn化合物独特的结构特点赋予其优异的综合性能,从而使其具
11、有广阔的应用前景。1.2 铜基复合材料铜基复合材料是由纯铜作为基体材料,其他不同性质的材料为增强材料,通过物理或化学的方法,在宏观上组成具有新性能的材料4。各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求1114。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等15。铜基复合材料是一种混合物11,15。在很多领域都发挥了很大的作用,代替了很多传统的材料。按其结构特点5,6又分为:纤维增强铜基复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强铜等。夹层铜基复合材料。由性质不同的表面材料和铜
12、芯组合而成。通常面材强度高、薄;芯材质轻、强度低,但具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。细粒铜基复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中,如弥散强化铜合金、金属陶瓷等。混杂铜基复合材料。由两种或两种以上增强相材料混杂于铜基体相中构成。与普通单增强相复合材料比,其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高,并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内/层间混杂和超混杂铜基复合材料26,7,11,15。现阶段,铜基复合材料大多具有高导电、高导热、高强度和高耐磨性等性质2。1.3 Cu/Cr2AlC复合材料Cu/Cr2AlC复合材料是一种陶瓷增强型铜基复合材料,其中Cr2AlC为
13、增强材料。前面也提到了Cr2AlC之类三元层状碳化物,由于其兼具了金属和陶瓷材料的诸多优异性能而引起了越来越多研究者的关注16,它们被称为413相、312相或211相,可用化学式Mn+1AXn (记为MAX,其中M为过渡族金属,A主要为A和IVA族原子,X是C或N原子)表示,作为MAX体系的一员,Cr2AlC具有良好的弹性性能,而且Cr2AlC在氧化过程中可形成抗氧化的A12O3和Cr2O3保护层,可以预期它在较宽温度范围内具有优良的抗氧化性能,甚至比Ti3SiC2更优异,能够承受更为恶劣的氧化环境以及具有更长的氧化寿命,这说明Cr2AlC是一种潜在的有用的新材料,作为复合成分更具有开发潜力。
14、Cu作为复合材料的金属基体,与Cr2AlC的性质有相似之处,二者复合可以得到兼有二者相关的高性能复合材料。按所用的基体金属的不同,金属基复合材料的使用温度范围为35012001214。Cu/Cr2AlC复合材料除此之外,其特点在力学方面表现为横向及剪切强度较高,韧性及疲劳等综合力学性能较好,同时还具有较高的导热、导电、耐磨、热膨胀系数小、阻尼性好、不吸湿、不老化和无污染等优点79,11,15。它与传统材料相比,还具有比强度高、质量轻、比模量高、抗疲劳性能好及减振性能好等诸多优点。Cu/Cr2AlC复合材料的各个组成材料在性能上起协同作用,具有单一材料无法比拟的优越综合性能。1.4 铜基复合材料
15、的制备1.4.1铜基复合材料制备方法经过多年的发展,铜基复合材料的制备工艺取得了很大的进步。以颗粒增强型铜基复合材料的制备为例,从铜基体在制备过程中所处状态来看,总体上可分类为固态法、液态法和原位自生复合法等13,5,1214。下面简单介绍一些主要的制备方法: 固态法粉末冶金法1,36,1214是较常用的一种固态法。由于铜和大多数陶瓷材料在物理性能和化学性能上的差别较大,二者之间的润湿性比较差,然而采用液态法制备铜基复合材料时,易发生颗粒的团聚。所以采用粉末冶金法将纯铜粉与增强材料颗粒按照一定配比均匀混合后,再经过冷压、烧结、复压或热压等多种工序,最后制得致密的铜基复合材料。这种方法生产工艺相
16、对成熟,材料性能较好,但工序多,工艺较复杂,成本高,生产效率低。近年来,机械合金化法(MA)已成功制备出保持高热导、高导电性能的高强度铜基合金,包括Cu/Mo、Cu/C、Cu/Al2O3、Cu/ZrO2和Cu/TiB2等。.液态溶体搅拌法这也是一种简单常用的制备方法,分为液态法和半固态搅拌法两种16。液态法是将固态颗粒逐步混合于液态金属中,并保持机械搅拌作用。而半固态法则是利用带有一定量固相的半固体溶体在高速切应力作用下粘度会降低的现象,使固态颗粒逐步夹入熔体中,而溶体中的固相可起到阻止固态颗粒上浮或下沉的作用。此类方法的设备和工艺相对简单,可以制成铸锭,同时采用常规二次加工方法可制成工件或型
17、材。但制件过程中容易形成气孔、夹杂和增强体分布不均匀等现象。. 原位自生复合法原位自生复合法16是指在基体金属的内部,通过加入反应元素或反应气体,并在液态金属内部进行反应,产生一些微小固态增强相(常见的有 TiC、TiB2、Al2O3等)。可以通过控制其工艺参数获得所需的增强物的含量和分布情况。原位自生复合法制备的铜基复合材料中的增强物并非外加的,而是在较高温度下金属基体中的不同元素反应生成的化合物。这种铜基复合材料的基体金属铜与增强体之间具有良好的相溶性,且结合牢固,特别是当增强体与铜基体之间具有共格或半共格关系时,它能非常有效地传递应力,以致界面上不会生成有害的反应产物,增强体表面无污染,
18、可避免与基体润湿不良的问题;增强体的尺寸与分布易于控制;材料的强度、弹性模量等性能易大幅度调整,因此具有较优异的综合力学性能。该法克服了其他制备工艺中常出现的问题,如基体与增强体浸润不良,界面反应,增强体分布不均以及微小增强体极难与金属进行复合等。.机械合金化。机械合金化13,5是将不同金属粉末和硬质粒子封装在高能球磨机中做长时间研磨,使得金属原料能够达到原子级水平的紧密结合,同时将硬质粒子均匀地嵌入金属颗粒中。娄燕16等将0.5 m的SiC粉末和610 m的电解铜粉混合,在高能球磨机中按转速400 r/min,球料比5:1,球磨时间为9h混合均匀,并将得到的Cu/SiC复合粉末,以压制烧结热
19、轧冷轧退火的工艺流程制备出了Cu/SiC复合材料。机械合金化法合成超微细难熔金属化合物(如NbC、TiC、MoC、NbB、TiB、ZrN),可使难熔金属化合物颗粒细化到纳米级。在高温条件下,这种超细的增强颗粒可有效抑制基体相的再结晶与晶粒长大。此外,粉末系统的储能很高,有利于降低其成型致密化温度。机械合金化法制备铜基复合材料具有工艺简单、成本相对较低的特点。缺点是耗能大,材料在制备过程中容易混入杂质。.机械混合法机械混合法13是将2种金属粉末以一定的比例装于球磨罐中,密封后以一定的旋转速度进行混料。这种混料方式,除了能使粉末混合均匀外,还兼有高能球磨能进一步粉碎添加相并控制粉末粒度的作用。混料
20、前一般要在球磨罐中通入保护气体(如惰性气体),以防止粉末的氧化。有时为了防止粉末在混料过程中的粘结,还需加入适当的润滑剂。用这种方法制备铜基复合粉末,工艺参数容易控制,成本也比较低。.液相反应原位生成法液相反应原位生成工艺16是将2种或2种以上的金属液流以涡流状相对喷射,产生化学反应后形成弥散相,弥散相粒子一般在50nm左右。由于第二相增强相是在凝固的过程中原位形成的,避免了表面污染和氧化,而且没有人工复合材料中存在的界面润湿及化学反应,这样提高了材料的完整性,发挥了铜基体导电和第二相增强相的强化作用。液相反应原位生成法可方便地通过控制过程的工艺参数和反应元素的加入量来调节基体组织中的颗粒含量
21、、尺寸和分布,且易于同连续铸造等技术相结合,成型方便,成本相对低廉。.固相反应生成法即自蔓延高温合成法16,其反应有两种基本模式:从局部引燃粉体,反应以燃烧波方式传播的自蔓延模式;迅速加热粉体直接合成,反应在整个粉体内部同时发生的整体反应模式。固相反应生成法的优点在于过程简单,产品出度高,容易获得复杂相或亚稳定相,应用范围广,缺点是产品的致密度低,不能严格控制反应过程和产品性能。.反应喷射沉积法反应喷射沉积法16是在液相反应和喷射沉积工艺的基础上发展起来的一种制备铜基复合材料的有效方法。主要分为喷雾沉积法和反应低压等离子喷射沉积法。其基本原理是液态金属铜通过特殊的喷嘴,在保护气氛(如氮气、氩气
22、等)中雾化成细小的金属流,同时将颗粒喷入熔融的金属射流中,使液固两相混合并共同沉积到经预处理的衬底上,最终凝固得到铜基复合材料。反应喷射沉积法的优点主要是:.晶粒细小,无宏观偏析,颗粒均匀分布于基体中;.一次性快速复合成坯料,生产工艺简单,效率低。1.4.2 铜基复合材料制备中存在的问题铜基复合材料作为一种新型材料,已经引起国内众多学者的关注,但是在研究过程中还是存在着许多问题,有待继续研究和解决5。总的来说,有以下几点:增强相的选择。向铜基体中引入第二相是为了提高某一方面的性能,但通常往往会降低另一方面的性能。因此,力求使引入的增强相,既提高了铜基复合材料的某些性能,又不降低另一些性能。粉末
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