不同应力比下Cu/WCp复合材料疲劳裂纹扩展行为及影响机制分析

通过粉末冶金工艺制备了一种高压电触头用Cu/WCp颗粒增强复合材料。研究了不同应力比下Cu/WCp颗粒增强复合材料的疲劳裂纹扩展行为,并结合裂纹闭合模型和两参数驱动力模型分析了应力比对Cu/WCp颗粒增强复合材料疲劳裂纹扩展速率的影响机制。研究结果表明:随着应力比R的增大裂纹扩展速率增大,尤其在近门槛值附近裂纹扩展速率差别最明显。裂纹闭合模型和两参数驱动力模型均可以较好地将不同应力比R下(da/d N-ΔK)关系曲线关联起来,且两参数驱动力模型的相关性更好。这说明导致不同应力比R下Cu/WCp颗粒增强复合材料疲劳裂纹扩展速率差异的原因主要是Kmax引起裂纹尖端单调损伤,其次是裂纹闭合效应。根据SEM断口分析发现高应力比的断面较低应力比的粗糙,低应力比时断口以基体撕裂为主而高应力比时以颗粒基体脱粘为主。

颗粒和微观结构对Cu/WCp复合材料疲劳裂纹萌生和扩展行为的影响

通过原位扫描电子显微镜(SEM)研究了粉末冶金制备的Cu/WCp复合材料的疲劳裂纹萌生和扩展行为,分析了颗粒和微观结构对Cu/WCp复合材料疲劳裂纹萌生和早期扩展行为的影响。结果表明:疲劳微裂纹萌生于WCp颗粒和基体Cu的界面;微裂纹之间相互连接并形成主裂纹,当主裂纹和颗粒相遇时裂纹沿着颗粒界面扩展。在低应力强度因子幅ΔK区域疲劳小裂纹具有明显的"异常现象",并占据了全寿命的71%左右。疲劳小裂纹的早期扩展阶段易受局部微观结构和颗粒WCp的影响,扩展速率波动性较大,随机性较强;当小裂纹长度超过150μm时,裂纹扩展加快直至试样快速断裂。裂纹偏折、分叉和塑性尾迹降低了疲劳裂纹扩展速率,而颗粒界面脱粘则提高了复合材料的疲劳裂纹扩展速率。通过数值模拟也可以发现颗粒脱粘增大了材料的疲劳扩展驱动力,从而提高了疲劳裂纹扩展速率。

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。

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。

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。

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。

CuS/GO复合材料的构筑及对罗丹明B的高光催化活性

光催化降解是一种有效降解罗丹明B的方法,为环境保护和人类健康做出了巨大的贡献,因此其具有广泛的应用前景.采用改良的Hummers法制备氧化石墨烯(GO),在此基础上,采用水热合成法制得硫化铜/氧化石墨烯(CuS/GO)纳米复合材料.通过傅里叶红外(FITR)、X-射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、X-射线光电子能谱仪(XPS)等对复合材料进行表征.结果表明,随着醋酸铜含量的增加,负载在GO的CuS纳米粒子的量也随之增加,同时粒子尺寸也发生了变化.当醋酸铜含量占35.9%时,复合材料中CuS纳米粒子为3 nm,其形貌良好,负载均匀,且CuS的尺寸较小.CuS/GO复合材料对罗丹明B表现出了良好的光催化活性.

Al_(2)O_(3)/Cu复合材料的制备及性能分析

以硝酸铜和硝酸铝为原材料,采用喷雾干燥-煅烧-氢还原工艺得到超细、Al_(2)O_(3)在铜基体中均匀弥散分布的Al_(2)O_(3)/Cu复合粉体;经热压烧结(HP)和模压成型-烧结-复压-复烧(MP)分别制备出不同Al_(2)O_(3)含量的Al_(2)O_(3)/Cu复合材料,实验对比两种方法制备出的样品的物相、微观结构、硬度和电导率。结果表明:两种工艺得到的复合材料均具有较高致密度,硬度随着氧化铝含量增加而增大,电导率随着氧化铝含量增加而减小。热压烧结(HP)工艺获得的材料维氏硬度(143.9 HV)比同工艺下纯铜的硬度值(74.2HV)提高了93.9%,电导率高于80.09%IACS;模压成型(MP)工艺制备的样品维氏硬度(136.8 HV)比相同工艺下纯铜的硬度值(42.3 HV)提高了223.4%,电导率维持在82.25%IACS以上。

Cu/Al复合材料界面组织与性能的研究进展

Cu/Al复合材料拥有优异的导电、导热性能及良好的耐腐蚀性,被广泛应用于通讯、电力和新能源等领域。作为异种金属连接形成的复合材料,其在制备过程中最大的难点在于消除异种金属间热膨胀系数差异等物理性质引起的缺陷,且连接处的界面间组织是影响其性能的主要因素,所以对此进行研究十分重要。综述了超声波焊接、搅拌摩擦焊、爆炸焊和铸造法下Cu/Al复合材料界面金属间化合物(IMC)的种类、形成机理,同时总结了Cu/Al复合材料性能改进常用的辅助手段:在等离子焊接和真空铸造工艺中添加微量元素;在拉拔旋压、轧制和爆炸焊后进行热处理;在超声波焊接、轧制中进行电脉冲辅助。国内外研究者们还广泛应用计算机模拟技术来研究Cu/Al复合材料的界面组织和性能。采用自主研发的冲击射流复合铸造工艺成功制备出Cu/Al复合材料,界面组织为Al_(2)Cu,Al Cu和Al_(4)Cu_(9),最大结合强度为23 MPa。

Al_(2)O_(3)颗粒直径对1 vol%的Al_(2)O_(3)/Cu基复合材料组织和性能的影响

采用粉末冶金法+热压工艺制备了不同Al_(2)O_(3)颗粒直径的1 vol%Al_(2)O_(3)/Cu基复合材料,使用光学显微镜和扫描电镜(SEM)观察了复合材料的显微组织,利用电子拉伸试验机测试了复合材料的力学性能。基于弹/塑性理论推导出了复合材料中颗粒周边的弹性区宽度的表达式。结果表明:Al_(2)O_(3)颗粒直径对Al_(2)O_(3)/Cu基复合材料强度及基体晶粒尺寸有着较大的影响;Al_(2)O_(3)颗粒直径越大,Al_(2)O_(3)/Cu基复合材料的抗拉强度、屈服强度越小;当Al_(2)O_(3)颗粒直径为5μm时,Al_(2)O_(3)/Cu基复合材料的抗拉强度和屈服强度分别为207和90 MPa,是铜试样的95.8%和95.7%。

石墨烯化学镀铜对放电等离子烧结石墨烯增强铝基复合材料组织和性能的影响

通过化学镀方法得到镀铜石墨烯粉末,再通过静电自组装方法将镀铜石墨烯粉末与铝粉混合,然后经放电等离子烧结工艺制备镀铜石墨烯增强铝基复合材料,研究了不同质量分数(0.1%,0.2%,0.3%,0.4%,0.5%)镀铜石墨烯增强铝基复合材料的微观结构和性能,并与质量分数0.1%未镀铜石墨烯增强铝基复合材料进行对比。结果表明:镀铜石墨烯在复合材料中分散均匀,复合材料的相对密度均在99%以上;铝和铜发生反应生成了中间相Al_(2)Cu,但未有Al_(4)C_(3)界面相生成;镀铜石墨烯增强铝基复合材料的硬度和耐磨性能均优于未镀铜石墨烯增强铝基复合材料;随着镀铜石墨烯含量的增加,复合材料的硬度先升高后降低,磨损质量损失和摩擦因数均呈先减小后增加的趋势。当镀铜石墨烯的质量分数为0.2%时,复合材料具有优异的综合性能,其硬度为74.7 HV,磨损质量损失和摩擦因数均最小,分别为0.0023 g和0.259,磨损机制为氧化磨损。

具有贯穿结构的铜/铝复合材料的强化及热导率

为了在提高铝合金强度的同时避免降低其热导率,设计了一种具有单向贯穿结构的新型铜/铝双金属复合材料,并采用增材制造结合挤压铸造的工艺实现制备成形。该复合材料表现出较好的强度(约340 MPa)和热导率(200 W/(m·K))匹配性,综合性能超过传统铝合金。这种良好的导热性能归因于单向贯穿的Cu骨架增强体结构能够为电子传导提供快速通道。同时,界面处生成Al2Cu共晶相,实现良好的界面冶金结合,有效改善复合材料的力学性能。

TA4/Q235层状复合材料激光穿透焊研究

为解决钛/钢层状金属在熔焊过程中易产生脆性金属间化合物而导致接头出现裂纹、难以实现可靠连接的难题,对TA4和Q235层状复合材料的激光穿透焊接进行工艺探索,并添加T2紫铜作为中间层进行工艺优化。结果显示,在合适的工艺参数下,TA4/Q235激光穿透焊接接头呈酒杯状,焊缝上下部分出现明显的元素交换,引发裂纹缺陷;引入Cu作为中间层后,得到的Ti-Cu-Fe焊接接头成形良好。能谱分析结果表明,添加Cu可有效阻隔Ti、Fe的直接接触,避免了脆性金属间化合物的产生,焊缝晶粒在一定程度上得以细化且开裂现象明显减少,从而改善了TA4/Q235的焊接性;激光穿透焊接的最佳参数为激光功率3 000 W,线速度2.0 m/min。研究结果对Ti/Fe复合板在航空航天、石油化工等领域的应用有积极的探索作用,具有重要的工程应用前景。

烧结温度对车用石墨-TiB_(2)增强铜基复合材料组织与性能的影响

采用真空热压烧结方法制备了石墨和TiB_(2)混杂增强Cu基复合材料,研究了烧结温度对复合材料微观结构、致密度、显微硬度、电导率和摩擦磨损性能的影响。结果表明:烧结过程中各粉末原料没有发生氧化,同时粉末之间也没有发生化学反应。两种增强相均匀地分散在连续的Cu基体中,同时颗粒之间没有形成聚集。随着烧结温度的升高,复合材料的致密度和显微硬度先增大后减小,摩擦系数和磨损率先减小后增大,电导率逐渐降低。烧结温度为800℃时,石墨和TiB_(2)混杂增强Cu基复合材料具有较优异的综合性能,其致密度、显微硬度、电导率、摩擦系数和磨损率分别为98.8%、92.2 HV0.1、43.2%IACS、0.213和1.757×10^(-5)mm^(3)/(N·m),磨损机制为显微切削为主,粘着磨损为辅。

冷轧对搅拌摩擦加工Al/Cu复合材料微观组织和力学性能的影响

对重叠率为0.5的多道次搅拌摩擦加工(MFSP)制备的Al/Cu复合材料进行了不同变形量的冷轧实验,弥补了MFSP造成的缺陷,对晶粒进行细化和均匀化并进一步提高了其界面结合强度。利用电子背散射衍射技术和剪切实验研究了不同变形量对复合材料界面结构、组织演变和剪切性能的影响。结果表明,在轧制压力作用下,加工区界面由连续变为不连续,过渡区未结合界面逐渐闭合直到结合良好,界面结合机制由单一扩散结合变为扩散结合和机械啮合二者的共同作用。当轧制变形量从30%增加到70%时,加工区和过渡区中Al、Cu各自平均晶粒尺寸的细化效果近乎一致,原始晶粒尺寸差也逐渐消失,由PZ界面原始的20和35μm以及TZ界面原始的25和38μm细化至8~9μm。剪切强度从102.3 MPa增加至374.2 MPa,提高了265.8%,相较原始MFSP试样的剪切强度(75.2 MPa)提高了398%,剪切断口表明断裂方式由韧性断裂转变为脆性断裂,加工硬化和波状界面形貌使界面结合强度有所改善。

CuO/蒙脱土复合材料可见光催化降解丁基黄药研究

采用浸渍—热解法优化制备得到光催化性能优良的CuO/蒙脱土复合材料(CuO/MMT),借助XRD、SEM、TEM、BET、UV-vis及PL光谱等检测手段表征了所制备样品的物相、形貌结构和光化学性能,考察了单一组分及不同CuO负载量的复合材料光催化降解丁基黄药(SBX)的效果,提出了可能的降解反应机理。研究发现,酸活化预处理显著增大了MMT的比表面积,CuO/MMT复合材料中的CuO主要以纳米球状均匀负载于MMT表面,从而提高了所获复合材料对SBX分子的吸附能力;与单一CuO相比,CuO/MMT复合材料对紫外光和可见光的吸收率均显著提高。在可见光照射80min、CuO/MMT复合材料用量0.2g/L的条件下,10%-CuO/MMT复合材料对初始浓度为20mg/L的SBX降解效果最佳,降解率达到99.65%,其中空穴(h+)和超氧自由基(·O_(2)^(-))在该光催化降解过程中发挥了主要作用。研究结果构建了CuO/MMT的新型光催化复合材料,为实现选矿废水中黄药的经济高效处理提供了有益借鉴。

热处理对Cu/Ti层状异质结构复合材料组织及力学性能的影响

利用金相显微镜、扫描电镜、电子背散射衍射和疲劳试验机研究了热处理对Cu/Ti层状异质结构复合材料微观组织及力学性能的影响。结果表明,在400℃×60 min热处理后,Cu/Ti界面处无扩散;在600℃×60 min热处理后生成2μm的扩散层,在800℃×60 min热处理后扩散层厚度增长至约12μm,分为Cu_(4)Ti、Cu_(4)Ti_(3)和CuTi_(3)共3层结构。400℃×60 min热处理后,复合材料因Ti层而存在异质结构,在拉伸变形过程中,异质变形诱导强化导致其拥有良好的综合力学性能,其抗拉强度和断后伸长率分别为361.7 MPa和36.7%。随着热处理温度的升高,Ti层异质结构逐渐消失,异质变形诱导强化减弱,同时Cu/Ti界面间生成金属间化合物层,从而导致复合材料塑性下降。

Al_(2)O_(3)/Cu多孔复合材料的微观形貌和压缩性能

采用高能球磨-粉末冶金法制备了Al_(2)O_(3)/Cu多孔复合材料(A-C-M)。首先利用高能球磨法将Cu粉和Al_(2)O_(3)粉末均匀细化,然后将Al_(2)O_(3)/Cu复合粉末与造孔剂尿素均匀混合后,再将混合粉末冷压成型,最后通过溶脱-烧结工艺制得A-C-M。采用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)对粉末原料和A-C-M的微观形貌进行表征分析,使用万能试验机对A-C-M进行压缩性能测试,探讨了尿素和Al_(2)O_(3)含量对A-C-M性能的影响。结果表明:高能球磨使Al_(2)O_(3)/Cu复合粉末的形貌由球状变为片状,复合粉末尺寸先减小后增大,在球磨4 h时获得最小平均粒径为25μm;A-C-M含有两种特征孔,100~300μm的大孔和1~10μm的微孔;随尿素含量的增加,孔的连通程度及复合材料的孔隙率逐渐增加,其压缩强度逐渐降低;随Al_(2)O_(3)含量的增加,A-C-M孔隙率逐渐增加,其压缩强度逐渐降低,当Al_(2)O_(3)含量为4 mass%时,A-C-M的压缩强度急剧下降。