Cu/CNTs复合材料的微观组织形貌与性能研究

在原位合成分布均匀的Cu/CNTs复合粉末的基础上,采用烧结温度为650℃,加载压力为35 MPa,保温时间为10 min的放电等离子烧结(SPS)工艺制备了Cu/CNTs复合材料。并对含有不同含量的Cu/CNTs复合粉末的Cu/CNTs复合材料的微观组织和性能进行研究。结果表明,当Cu/CNTs复合材料中的Cu/CNTs复合粉末含量为20%时,CNTs沿晶界均匀分布于铜基体中,形成具有一定结合力的CNTs-Cu界面,复合材料的导电率、硬度值和抗拉强度分别为82.8%IACS、96.4HV、417 MPa,且硬度、抗拉强度达到最大。

烧结温度对CNTs/Cu复合材料组织和力学性能的影响

采用电泳沉积法在铜箔上沉积碳纳米管,层层堆叠后在不同烧结温度(550,650,750,850,950℃)下热压烧结制备碳纳米管增强铜基(CNTs/Cu)复合材料,研究了烧结温度对复合材料显微组织和力学性能的影响。结果表明:随着烧结温度升高,复合材料中孔隙的数量减少,尺寸减小,碳纳米管分布均匀性增大,铜晶粒尺寸增大,退火孪晶晶粒尺寸增大但数量减少;随着烧结温度升高,复合材料的抗拉强度和显微硬度均呈先减小后增大的趋势,断后伸长率变化呈非单调性变化;当烧结温度为650℃时,复合材料的抗拉强度和显微硬度适中,断后伸长率最大,综合力学性能最好。

CNTs/Cu层状复合材料的制备及其组织和性能研究

采用扩散结合法将分散后的碳纳米管附着在铜箔表面,经裁剪、堆叠和预压后使用真空热压烧结炉进行烧结,制备出具有优良导电性的CNTs/Cu层状复合材料。使用SEM、EDS和XRD等对样品的微观形貌和成分进行表征,使用显微硬度计和导电率检测仪等对样品性能进行测试。结果表明:在热压烧结过程中,一定量铜扩散到CNTs层中,有效改善了碳纳米管层和铜层的结合能力。相比于纯铜,CNTs/Cu层状复合材料在硬度提高45%的同时,在平行于碳纳米管层方向导电率达到91%IACS,而垂直于碳纳米管层方向也仍具有80.6%IACS的导电率。

球磨方式对CNTs/Al复合材料显微组织与力学性能的影响

采用湿法球磨和干法球磨两种方式制备碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)和铝的复合粉体,再使用放电等离子烧结结合热挤压的工艺制备碳纳米管增强铝基(CNTs/Al)复合材料,系统研究了制备工艺-组织结构-材料性能之间的关系。结果表明,相较于干法球磨,湿法球磨可以更好地分散碳纳米管,且显著减少对其结构的破坏;乙醇球磨介质具有冷却作用,在减少粉体冷焊的同时有助于细化Al基体晶粒,从而使复合材料获得出色的力学性能。乙醇湿法球磨6 h后烧结并热挤压的2%CNTs/Al复合材料抗拉强度达到207 MPa。

原位生长CNTs对于铜基复合材料性能的影响

通过化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)法成功制备了CNTs/Cu-Al_(2)O_(3)复合材料。采用内氧化法制备Cu-Al_(2)O_(3)粉末,利用CVD技术改善碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)在铜基体中的分散性和界面结合,提高复合材料的性能。在制备的铜基复合材料中,Al_(2)O_(3)和CNTs双增强相的加入能够提高复合材料的力学性能,且CNTs独特的纤维结构有助于阻止熔融铜脱离基体表面,保持液态熔池稳定,避免复合材料导电率降低。双增强相的添加提高了复合材料的耐磨性、抑制了腐蚀坑的形成。Al的质量分数为0.35%的CNTs/Cu-Al_(2)O_(3)复合材料能够保证导电率较高的情况下得到较高的维氏硬度与致密度。为制备高性能铜基电接触材料提供了新思路。

CNT的表面改性对Cu基复合材料力学和电学性能的影响

提高碳纳米管(carbon nanotube,CNT)在Cu基体中的分散性以及两者的界面结合,可以有效改善碳纳米管增强Cu基(CNT/Cu)复合材料的性能。本文采用一步水热法在CNT表面原位生成碳化聚合物点(carbonized polymer dot,CPD),对CNT进行表面改性处理,再通过烧结法制备CNT@CPD/Cu复合材料,对复合材料的力学和电学性能进行测试。结果表明:经酸化处理的CNT1表面改性处理后,其结构破坏严重,增强效果减弱。未经酸化处理的CNT2表面改性处理后,CPD负载于CNT2上,不仅保留了CNT的结构完整性,还能显著改善其在基体中的分散性,增强与Cu的结合。此外,CPD和CNT的加入可有效细化Cu晶体,抑制位错运动;CPD和CNT与Cu基体间的“铆钉”界面结合,不仅能降低电子散射效应,还能为电子转移提供额外的通道,从而提升复合材料的电学性能。CNT2@CPD/Cu复合材料的极限抗拉强度相较纯Cu提高了28.9%,电导率为95.9%IACS。该研究结果为开发新型高强高导Cu基复合材料提供了新思路。

T6态CNTs/Al-Zn-Mg-Cu复合材料的耐磨性能研究

采用熔融铸造法制备了12vol%CNTs(碳纳米管)/Al-Zn-Mg-Cu复合材料,再对该复合材料进行T6热处理。利用MG-200型摩擦磨损试验机研究了热处理前后CNTs/Al-Zn-Mg-Cu复合材料的干滑动摩擦磨损性能。试验结果表明:CNTs对Al-Zn-Mg-Cu合金有细晶强化作用,提高了合金的硬度,固溶处理消除了铸造复合材料中的第二相偏析,并且在时效处理之后MgZn2强化相的析出大幅度提升了材料的性能。在40 N的载荷和200 r/min转速时,T6态CNTs/Al-Zn-Mg-Cu复合材料的磨损率和摩擦系数分别为0.0489 g/mm和0.281,与铸造复合材料相比,材料的磨损率和摩擦系数分别降低64.79%和28.47%。这是由于热处理之后试样的强度和硬度增大,从而有效改善了材料的耐磨性能。未热处理的复合材料主要存在黏着磨损和磨粒磨损,而热处理之后复合材料的主要磨损机理为磨粒磨损。

原位合成CNTs/Cu-Al_(2)O_(3)复合材料的性能研究

对Al的质量分数分别为0.20%,0.35%,0.60%的Cu-Al合金粉末进行内氧化,得到CuAl_(2)O_(3)粉末。采用化学气相沉积法在Cu-Al_(2)O_(3)粉末表面原位生长碳纳米管(carbon nano tubes,CNTs),采用放电等离子烧结工艺成功制备了CNTs/Cu-Al_(2)O_(3)复合材料。采用扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察了CNTs/Cu-Al_(2)O_(3)复合粉末、复合材料断口的形貌。采用显微硬度计、微拉伸试验机、摩擦磨损试验机分别对纯Cu及复合材料的维氏硬度、抗拉强度、摩擦因数进行测试。采用电化学工作站测试复合材料在3.5%NaCl(质量分数)水溶液中的耐腐蚀性能。结果表明,随着Al的质量分数的增加,粉末表面合成的CNTs的数量也增多。Al的质量分数为0.35%时,CNTs/Cu-Al_(2)O_(3)复合材料的综合性能最佳,与纯Cu相比,复合材料的抗拉强度和腐蚀电势分别提高了86.4%和43.2%,分别为315 MPa和-0.268 V,摩擦因数降低了53.3%,仅为0.28。

超音速激光沉积增材制造CNTs/Cu复合材料微观结构及力学性能研究

目的研究超音速激光沉积增材制造CNTs/Cu复合材料的微观结构及力学性能。方法对CNTs进行表面镀铜处理,提高它与Cu黏接相之间的润湿性,增强CNTs/Cu之间的界面结合,利用超音速激光沉积技术(Supersonic Laser Deposition,SLD)增材制备不同CNTs含量的CNTs/Cu复合材料,对比研究了CNTs含量和退火温度对CNTs/Cu复合材料微观结构及力学性能的影响规律,并采用能谱仪对拉伸断口微区进行元素分析测定。结果SLD制备的CNTs/Cu复合材料具有优异的塑性变形能力,而强度较高的CNTs通过嵌入铜粉颗粒之间的缝隙提升了沉积质量。对复合材料微观组织进行表征发现组织无明显孔隙、致密性良好,且无烧蚀现象。CNTs的加入有效提高了CNTs/Cu复合材料的抗拉性能,并且随着CNTs含量的上升,CNTs/Cu复合材料的极限抗拉强度(Ultimate Tensile Strength,UTS)稳步上升;当CNTs质量分数为0.3%时,CNTs/Cu复合材料的UTS为36.33MPa,是CNTs质量分数为0.05%时的1.35倍。随着退火温度的升高,CNTs/Cu复合材料的UTS表现为先增大后减小的趋势,在500℃时UTS达到最大值。结论由于激光加热软化的效果与表面镀铜的包覆作用,CNTs能够均匀地分布在CNTs/Cu复合材料内部,同时明显增强复合材料内部颗粒的界面结合强度,后续的热处理有助于使材料从不稳定的机械结合逐步转换为冶金结合,显著提高复合材料的抗拉性能。

双模CNT/Al复合材料变形过程的代表性体积单元模拟

目的研究双模CNT/Al复合材料在塑性加工过程中的微观结构演变行为。方法通过ABAQUS/Python二次开发,对双模CNT/Al复合材料代表性体积单元(RVE)进行参数化建模,并基于显式动力学求解器和欧拉-拉格朗日耦合技术,对双模CNT/Al复合材料RVE模型的单向压缩过程和挤压过程进行数值模拟分析。结果单向压缩模拟结果显示,结构心部异质区两侧的等效塑性应变较大,结构边缘基体区域的等效塑性应变相对较小;最大等效应力位于结构边角处的基体区域,而结构心部异质区的等效应力则相对较小。通过对异质区材料和形态的影响规律进行分析发现,当异质区为粗晶材料时,其变形后的形态更趋于扁平,而当异质区为细晶材料时,其变形后的形态更接近椭圆。通过挤压过程的模拟,实现了对变形过程中双模组织结构变化的分析,模拟结果显示,材料表面与模具贴合良好,异质区随变形的进行被不断拉长,部分异质区由于拉伸程度过大,甚至出现了分离的情况。结论提出的模拟方法为双模CNT/Al复合材料的挤压变形工艺设计和变形后组织结构预测提供了有效手段。

La_(2)O_(3)掺杂Ti_(3)SiC_(2)/Cu复合材料的制备与性能

铜合金作为热管理材料长期服役时,会出现冷-热循环条件下的结构性失效问题,因此考虑将具有低膨胀系数的MAX相材料引入到铜合金中,来降低复合材料的热膨胀性。Ti_(3)SiC_(2)是一种兼具陶瓷和金属的优良特性的三元层状陶瓷材料,具有自润滑、高韧性、高导电性等特点。作为增强相,Ti_(3)SiC_(2)能够提高Cu基复合材料的摩擦性能,降低复合材料的热膨胀系数,因此被应广泛用于电子封装材料、热管理材料等领域。本文将稀土氧化物La_(2)O_(3)引入到Ti_(3)SiC_(2)/Cu复合材料中,研究了La_(2)O_(3)掺杂含量对Ti_(3)SiC_(2)/Cu复合材料物相组成、表面形貌、显微硬度和摩擦因数等的影响。研究发现,利用热压烧结技术能够获得致密度较高的Ti_(3)SiC_(2)/Cu复合材料,相对密度在98.5%以上。适量掺杂La_(2)O_(3)后,Ti_(3)SiC_(2)/Cu复合材料的显微硬度有所增加,能够实现Ti_(3)SiC_(2)/Cu复合材料的弥散强化。随着La_(2)O_(3)掺杂量增加,Ti_(3)SiC_(2)/Cu复合材料的摩擦因数呈现出先降低后增加的趋势。在Cu基复合材料中添加Ti_(3)SiC_(2),能够起到润滑的作用,有利于降低摩擦因数。本研究可为Ti_(3)SiC_(2)/Cu复合材料的工程应用提供试验依据。

CNT薄膜电热原位共固化复合材料板的温度均匀性研究

碳纳米管(CNT)薄膜电加热原位共固化复合材料是一种免热压罐的高效节能工艺方法,是国家“双碳”战略下制备碳纤维复合材料的新途径。然而,在固化过程中CNT薄膜电加热的不均匀温度分布,易导致复合材料成型质量差,进而限制其应用。为此,研究揭示了CNT薄膜的电加热特性,阐明了加载电压、预浸料层数以及CNT薄膜层数/尺寸对复合材料温度分布的影响规律。结果表明,CNT薄膜具有高电热转换效率和良好的热稳定性,增加CNT薄膜层数和尺寸有利于改善复合材料面内温度分布。对于12层200 mm×180 mm预浸料,采用1.7倍尺寸的双层CNT薄膜可将复合材料固化过程中的面内温差降低至4℃以内,固化度达到99%以上,且相比传统烘箱固化,复合材料的拉伸强度提高了6.99%。研究结果为发展CNT薄膜电热原位共固化复合材料结构的温度均匀调控方法奠定了基础。

层厚比对Cu-TiB2/Cu层状复合材料微观组织和力学性能的影响

铜基复合材料由于优异的综合性能在电子封装、电接触等领域具有重要应用价值。然而,克服材料的强-塑性倒置关系一直面临着极大的挑战,层状构型设计被认为是解决该倒置难题的有效策略。本文采用粉末冶金并结合原位反应法,通过控制铺粉工艺,制备出Cu层与TiB2/Cu复合层交叠分布的Cu-TiB2/Cu层状复合材料。研究了Cu-TiB2/Cu层状复合材料的力学性能及断裂特征,并讨论了层状结构参数对材料综合性能的影响。当Cu层与TiB2/Cu复合层的层厚比为1∶3时,Cu-TiB2/Cu层状复合材料的极限抗拉强度(UTS)为315 MPa,断裂伸长率为18%,实现了良好的强塑性匹配。基于复合材料裂纹扩展路径表征与分析,揭示了层状构型设计在抑制裂纹扩展、促使裂纹偏转等方面的作用机制,为高强韧铜基复合材料的构型设计和性能优化提供新思路。

粉末锻造Al_(2)O_(3)颗粒增强Fe–Ni–Mo–C–Cu复合材料的组织与性能

通过粉末锻造技术制备了不同含量微米级Al_(2)O_(3)颗粒强化的Fe–Ni–Mo–C–Cu(Q61)复合材料,并对调质态和淬火态复合材料的组织和性能进行了研究。结果表明:当Al_(2)O_(3)质量分数为0.15%时,增强颗粒在基体内分布均匀;相较于同种状态下不添加增强颗粒的单一Q61,调质态复合材料的硬度从HRC 38增至HRC 39.8,屈服强度从1106 MPa增至1121 MPa,延伸率从12%降至6.5%;淬火态复合材料的硬度从HRC 61.5增至HRC 63.2,磨损率从5.27×10^(-6)mm^(3)·m^(-1)·N^(-1)降至3.08×10^(-6)mm^(3)·m^(-1)·N^(-1),低于对比试验用的典型齿轮材料40Cr的磨损率(3.34×10^(-6)mm^(3)·m^(-1)·N^(-1))。当Al_(2)O_(3)质量分数大于0.15%时,Al_(2)O_(3)颗粒逐渐偏聚,虽然调质态下复合材料屈服强度仍继续小幅增加,但塑性严重退化,且淬火态复合材料磨损率增加,耐磨性变差。综合来看,添加0.15%Al_(2)O_(3)颗粒强化Q61复合材料在调质态下具有较高的综合力学性能,而在淬火态下表现出良好的抗摩擦磨损能力。

BN/Cu复合材料摩擦磨损性能与磨损机制研究

通过直流辅助热压烧结制备了氮化硼(BN)颗粒添加量为0.4%~1.2%(质量分数)的BN/Cu复合材料,采用立式销盘摩擦磨损试验机对其进行耐磨性检测,使用扫描电子显微镜(SEM)表征材料磨损前后的表面形貌,同时分析了BN颗粒添加量对复合材料物理性能和摩擦磨损性能的影响。研究结果表明:直流辅助热压烧结制备的复合材料致密度均可达到96%以上,导电率可达80%IACS以上。添加适量的BN颗粒,可以极大提升复合材料的摩擦磨损性能。当BN颗粒的添加量为0.8%时,由于摩擦过程中有润滑膜产生,复合材料的摩擦系数最为稳定,且摩擦磨损性能较为优异,主要由磨粒磨损和轻微的黏着磨损共同作用。

高导热金刚石/Cu复合材料的研究进展

随着大数据、人工智能等信息技术的飞速发展,电子元器件逐渐向便携、轻量、高性能等方向发展。金刚石/Cu复合材料具有热导率高、热膨胀系数与电子元器件匹配度高等优点,目前已成为第三代先进电子封装材料。综述了国内外金刚石/Cu复合材料的制备方法、影响金刚石/Cu复合材料热导率的因素,尤其是界面改性对热导率的影响。此外,还对金刚石/Cu复合材料的未来发展方向进行了预测,为金刚石/Cu复合材料的研制提供参考。

CNT/PDMS复合材料的直写打印技术及性能测试

针对复合材料的制备需求以及具有导电性能的碳纳米管(CNT)-聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合材料在柔性传感方向的使用需求,利用直写打印与复合材料制备相结合,研究了CNT/PDMS复合材料的直写打印工艺及测试了其传感性能。在实验中,配制了不同CNT含量的打印墨水,通过测试其自举性及导电性得到CNT含量为7%的墨水在打印时出丝顺畅且能打印复杂结构。优选200 kPa的挤出气压、20 mm/s的打印速度进行打印。通过对不同形状的网格打印效果和导电性进行测试,选择60%密度的网格进行打印。为了提高固化后的导电性,选择80℃,加热2 h进行固化。在此基础上,打印CNT含量不同的网格结构,测试其灵敏度在0~10 kPa范围内变化相对明显,往后加压电阻变化率增长速度放缓;对材料往复施加不同压力,其稳定性良好;将不同质量砝码间歇式的压在网格结构上时,测试得该复合材料的传感分辨率良好。这为后续研究直写打印技术制备复合材料打下了良好的基础。

基于MXene/CNT薄膜传感器阵列的复合材料冲击定位及损伤监测

复合材料层合板在服役过程中易受到冲击损伤,对结构产生不利影响。冲击引发的复合材料内部结构损伤能够缩短复合材料的使用寿命。因此,对于复合材料层合板冲击定位及损伤监测是必要的。以碳纳米管(CNT)和MXene薄膜为代表的新型碳纳米材料具有独特的纳米级结构和优良的物理性能。将MXene/CNT薄膜传感器阵列布置于监测范围内,提出了一种适用于传感器阵列的定位算法,该算法可以准确地计算和定位到监测区域的冲击位置。同时,可根据传感器相对电阻变化率判断试件损伤情况。最后,使用超声C扫描设备对结果进行对比验证。试验结果表明,传感器阵列响应计算结果与实际冲击位置吻合,且传感器相对电阻变化率与损伤严重程度相关。

石墨含量对车用镀Ni石墨/Cu复合材料摩擦磨损性能的影响

石墨添加量是影响Cu基复合材料摩擦学性能的关键因素之一。为此,研究了镀Ni石墨含量(2、4、6和8 mass%)对镀Ni石墨/Cu复合材料摩擦学行为的影响,分析了石墨含量与复合材料的微观组织、物理性能及硬度的关系,以确定最佳的石墨添加量。结果表明:复合材料中石墨与Cu之间的结合性较好,没有出现明显的空隙和裂纹;随镀Ni石墨由2 mass%增加到8 mass%,复合材料的致密度和导电率分别减小了3.7%和43.5%,硬度先由60.3 HV0.1增大到63.4 HV0.1后再减小到59.7 HV0.1,其中转折点在6 mass%镀Ni石墨,而摩擦系数和磨损率均为先减小后增大。因此,理想的镀Ni石墨添加量为6 mass%,此时,复合材料的磨损机制以磨粒磨损为主,粘着和氧化磨损为辅。

含孔洞Cu_(64)Zr_(36)及Cu/Cu_(64)Zr_(36)复合材料拉伸变形的分子动力学研究

本工作采用分子动力学模拟研究了含孔洞Cu_(64)Zr_(36)金属玻璃和Cu/Cu_(64)Zr_(36)晶体/非晶复合材料的拉伸变形行为。结果表明:Cu_(64)Zr_(36)金属玻璃在加载过程中由孔洞引起的应变集中导致剪切转变区(STZ)被激活并诱发剪切带的形成,而Cu/Cu_(64)Zr_(36)复合材料通过晶体相中的位错滑移有效避免了灾难性剪切局部化,阻碍了剪切带的扩展。应变局部化程度出现台阶式的跳跃主要由位错的成核和发射引起,而应变局部化程度的缓慢增加与STZ的激活有关,一旦剪切带形成会导致应变局部化程度的快速增加。孔洞的存在改变了剪切应变和非仿射平方位移的分布,原子剪切应变和非仿射平方位移最小值D_(min)^(2)的最大值总是分布在孔洞周围,使其成为最有可能位错成核、STZ激活并诱发剪切带形成的位点。大量的位错运动和均匀的STZ激活是提高复合材料整体塑性的主要原因,晶体相中位错密度的变化与非晶相中的剪切带活动密切相关。当剪切带扩展受阻,只出现均匀的STZ激活,位错密度基本保持不变,应力累积。一旦STZ局部化,重新诱发剪切带的扩展,位错密度增加和应力释放,这也是Cu/Cu_(64)Zr_(36)复合材料应力波动的主要原因。