原位合成颗粒增强铜基复合材料的研究进展

弥散强化型铜基复合材料,兼具优异的导电导热性能、高强度、良好的热稳定性和耐磨性,是核反应堆、航空器及高端装备中各种导电导热元件的关键材料,在核电、航空、交通、军事等诸多重要领域有不可替代的作用。原位合成法是在一定温度下金属基体内发生化学反应,原位生成一种或几种陶瓷增强体的技术。原位反应制备颗粒增强铜基复合材料存在两个重要的问题亟待解决:一是增强相的团聚问题,二是增强相的尺寸调控问题。本文总结了几种较为常用的制备弥散强化型铜基复合材料的原位合成方法,并对比分析了几种方法的特点、优劣及技术难点。同时,本文综述了原位合成法对铜基复合材料中颗粒尺寸和分布的影响,分析了原位合成法不同参数对复合材料力学及综合性能的影响规律,并从增强相颗粒形核与生长的原理出发,提出了促成细小弥散颗粒增强相的工艺方案。

表面改性WC颗粒增强铜基复合材料的微观结构与摩擦学特性

WC与Cu界面结合强度不足严重影响铜基复合材料的摩擦磨损性能,但业内尚未有良好的界面调控措施以优化性能。采用铜表面改性WC颗粒改善WC与Cu基体界面,经粉末冶金工艺制备Cu改性WC颗粒增强铜基复合材料,开展复合材料的微结构表征与摩擦学性能研究。研究表明,Cu改性WC颗粒可良好地嵌入铜基体,颗粒与Cu基体界面较基体弹性恢复能力提升33%,硬度提升20%。15 wt.%Cu改性WC增强铜基复合材料具有最佳的物理性能与摩擦学特性,较纯铜粉末冶金材料体积密度提升8%,布氏硬度提升15%,摩擦因数波动幅度最小并稳定在0.75,磨损量最小为0.075 mm^(3),磨痕轮廓圆滑,磨损面最完整且大面积成膜。随Cu改性WC含量增大,主要磨损机制由黏着磨损转变为剥离磨损,Cu改性WC颗粒促进摩擦转移层的形成,抑制磨损面裂纹的横向扩展。Cu改性WC颗粒与铜基体界面结合强度显著提升,15 wt.%复合材料抑制黏着磨损与疲劳磨损,摩擦学性能优异。采用Cu改性WC颗粒增强铜基摩擦材料有望成为优化WC与Cu基体界面提升铜基复合材料摩擦学性能的重要备选途径。

金刚石/铜-硼复合材料界面结构及其对热导率和力学性能的影响

通过控制硼含量制备不同界面结构的金刚石/铜复合材料,研究复合材料的界面显微组织及其对热性能和力学性能的影响。结果表明,界面处形成微米级B4C齿状结构,该结构为界面结合提供冶金结合和机械啮合的双重作用。金刚石/铜-硼复合材料获得最高为695 W/(m·K)的热导率和535 MPa的弯曲强度。金刚石与B4C之间形成具有金刚石(111)//B4C (104)取向关系的半共格界面。微纳米级齿状结构可提高界面声子传输效率和界面结合强度。

微量Sm元素对TiC_(p)/Al-Cu-Mg-Mn复合材料微观组织和力学性能的影响

以0.27%(体积分数)TiC颗粒增强的TiC_(p)/Al-5Cu-1.9Mg-0.9Mn复合材料为基体,研究不同Sm元素含量对复合材料组织与力学性能的影响规律。结果表明:Sm元素的加入明显细化了枝晶组织,促进了固溶处理过程中第二相的溶解,使得时效态组织中T-Al_(2)0Cu_(2)Mn_(3)和S′-Al_(2)CuMg析出相的数量密度增加,当Sm元素含量较高时(0.3%,质量分数,下同),组织中将出现块状难溶稀土化合物。随着Sm的加入,复合材料室温和250℃下的屈服强度逐渐增加,但会引起塑性降低,当Sm元素添加量为0.3%时,室温屈服强度从246 MPa提高到310 MPa,250℃屈服强度从191 MPa提高到220 MPa。分析认为,强度提高源于Sm引起的组织细化和析出相数量密度增加,而塑性下降是由于粗大块状难溶稀土化合物割裂了基体,导致裂纹源容易产生。

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。

蘑菇渣和稻秸堆肥中DOM与Cu^(2+)的络合机制

堆肥中溶解性有机质(DOM)对重金属具有显著的络合作用,影响其在环境中的迁移和转化。研究采用三维荧光-平行因子(EEM-PARAFAC)结合二维相关光谱(2DCOS)分析方法,系统解析蘑菇渣堆肥(MRC)及水稻秸秆堆肥(RSC)中DOM与Cu^(2+)的络合机制。EEM-PARAFAC结果表明,MRC-DOM和RSC-DOM主要由类腐殖酸(C1)、类富里酸(C2)和类蛋白质(C3)组成,各组分分别占MRC-DOM总荧光强度的43%、32%和25%,占RSC-DOM的39%、29%和32%。2种堆肥DOM与Cu^(2+)作用过程中,3类组分荧光强度均呈不断降低趋势,表明它们均与Cu^(2+)发生了显著的络合作用。2种堆肥中不同荧光组分(C1~C3)与Cu^(2+)的有效猝灭常数(lg K)在4.54~4.76之间,均表现为C3>C1>C2,表明类蛋白组分(C3)与Cu^(2+)结合能力最强,其次为类腐殖酸(C1),类富里酸(C2)最低。2DCOS结果显示,堆肥DOM中类蛋白荧光组分与Cu^(2+)结合能力最强,而类富里酸优先与Cu^(2+)发生反应。总体而言,MRC-DOM和RSC-DOM中类蛋白和类腐殖质组分是与Cu^(2+)发生络合作用的关键物质,且2类堆肥DOM具有类似的Cu^(2+)络合机制(包括活性位点、络合能力和反应顺序)。研究结果为进一步了解堆肥对土壤Cu^(2+)迁移和转化行为的影响提供了重要的理论基础。

基于机器学习的高强高导Cu基复合材料力-电性能统一预测模型研究

颗粒增强铜基复合材料具有良好的力学、电学性能,但增强体特征参量与材料性能之间的定量关系难以量化确定。为建立Ti B和Ti B2陶瓷增强相与铜基复合材料力学与电学综合性能之间的映射关系,以求大幅提高铜基复合材料强度的同时,将其导电率降低在可接受范围内,提出了一种基于蚁群算法优化的BP神经网络铜基复合材料力-电性能统一预测模型(ACO-BP-Cu)。通过BP神经网络建立铜基复合材料性能与特征参数间关系,通过蚁群算法全局寻优确定BP神经网络模型结构。实验表明,ACO-BP-Cu模型能够根据Ti B和Ti B2陶瓷增强相特征参数有效预测铜基复合材料各项性能,且相对决策树、线性回归、K邻近法等9种回归算法准确率更高,稳定性更强。

纳米TiC颗粒增强Al-Cu-Li基复合材料摩擦磨损性能的研究

采用中间合金法制备TiC颗粒增强Al-Cu-Li基复合材料,通过GCr15钢球与复合材料在室温下干摩擦滑动磨损实验,研究不同含量TiC与载荷对复合材料摩擦磨损性能的影响。试验结果表明:TiC颗粒细化了复合材料组织,同时也提高了热处理后复合材料的硬度及耐磨损性能,在TiC含量为0.3%时,复合材料表现出优异的耐磨损性能。通过观察磨损后表面形貌,低载荷下主要磨损类型为磨粒磨损和黏着磨损,随着载荷的提高,氧化磨损和循环力引起的疲劳剥落成为了主要磨损类型。随着TiC颗粒的加入,提高了复合材料的硬度,降低了动摩擦系数,黏着磨损得到了抑制,复合材料的耐磨损性能得到了提高。

铜表面激光熔覆制备Ni-Cu-Mo覆层的显微组织及其摩擦磨损性能

为提高铜材料的耐磨性能,在铜基体上激光熔覆了纯Ni、Ni-20Cu、Ni-20Cu-10Mo及Ni-20Cu-15Mo(摩尔分数,%)四种覆层,分析了Ni-20Cu-10Mo覆层的显微组织,并研究了铜基体及覆层的摩擦磨损行为,考察了Ni、Cu、Mo元素含量对激光熔覆制备覆层的组织及其耐磨性能的影响。结果表明:覆层均以Ni基固溶体为主要物相,呈平面晶-胞状树枝晶-等轴晶的非平衡凝固形态;纯Ni、Ni-20Cu、Ni-20Cu-10Mo及Ni-20Cu-15Mo覆层的显微硬度分别为137.0HV、141.4HV、151.3HV、143.7HV,平均摩擦因数分别为0.64、0.54、0.16、0.42;相对于铜基体而言,四种覆层的显微硬度分别提升了22.65%、26.59%、35.45%和28.65%,平均摩擦因数分别提升了29.67%、40.66%、82.42%、53.85%;其中,Ni-20Cu-10Mo覆层的平均摩擦因数最低(0.16),是铜基体的17.58%,使铜基体的摩擦磨损机制由黏着磨损机制向磨粒磨损机制转变。

碳纳米管增强铜铬基复合材料的制备及其性能研究

以带羧基官能团的碳纳米管和片状铜铬粉为原料,通过对片状铜铬粉表面进行亲水处理,并采用湿法分散—粉末冶金工艺制备得到了碳纳米管/铜铬复合材料,实现了碳纳米管在铜铬基体中的均匀分散.采用场发射扫描电镜观察了复合材料块体的组织形貌,并研究了碳纳米管和铬含量对复合材料力学性能和导电性能的影响.结果表明:碳纳米管的体积分数为2%,铬在合金粉中的质量分数为3%为最优体系;碳纳米管的加入使铜铬基体的屈服强度提高了约12%,抗拉强度提高了约13%,摩擦系数降低了约19%,导电率降低了约23%.

原位反应纳米TiB_2/Cu复合材料的制备和微结构

利用原位反应技术 ,通过控制反应物B2 O3 和石墨的含量制备了原位生长纳米TiB2 增强Cu基复合材料。用XRD ,EDS ,TEM对TiB2 /Cu原位复合材料进行微结构分析 ,研究表明铜基体中弥散分布着 5 0nm的TiB2颗粒 ,并对Cu基体有良好的增强作用。

颗粒增强铜基复合材料研究进展

颗粒增强铜基复合材料在基本保持金属铜优良导电和导热性能的基础上大大提高了铜基复合材料的强度和耐磨性,是一种具有良好发展前景的复合材料。回顾了近年来颗粒增强铜基复合材料的增强相和制备方法的发展,并指出了今后研究发展的方向。

摩擦速度对铜基摩擦材料摩擦磨损性能影响

采用粉末冶金技术制备了铜-石墨-SiO2烧结材料，通过定速摩擦试验机，在摩擦速度为7．8～47．1m／s的范围内，研究摩擦速度、第三体与摩擦磨损性能的关系．结果表明，摩擦第三体的状态与摩擦速度密切相关，并明显影响摩擦磨损性能．在摩擦顺序从低速开始向高速进行的条件下，随摩擦速度的提高，摩擦表面第三体由颗粒状分布向密实状态转变，表面微观硬度提高，摩擦系数下降，磨损率变化不明显．这归因于低速条件下摩擦副间的啮合程度大，使摩擦系数处于较高值．随速度增加，致密状第三体的易流动性具有润滑和平滑作用，起到降低摩擦系数的作用；在摩擦顺序从高速开始向低速进行条件下，摩擦表面被高速摩擦形成的致密第三体所覆盖，致密第三体的稳定性具有降低摩擦系数波动的作用．但磨损率在摩擦速度较低时出现快速增加．原因在于随摩擦速度的降低，摩擦温度降低，致密第三体脆性增加，致密第三体的大面积破裂和剥落提高了磨损率．

SiO_2含量对铜基摩擦材料摩擦行为的影响

采用粉末冶金技术制备铜-石墨-SiO2烧结材料,利用销盘式摩擦试验机,在摩擦速度为7.8～47.1m/s的范围内,研究SiO2在不同摩擦速度条件下的损伤机理及其与材料性能的关系。结果表明:SiO2对材料摩擦磨损性能的影响与摩擦速度密切相关;低摩擦速度条件下,SiO2含量的变化对提高摩擦因数的作用明显,原因在于摩擦力的静载荷性质有利于发挥SiO2粒子的犁沟作用而增加摩擦力;材料的磨损率对SiO2含量不敏感;高摩擦速度条件下,具有冲击作用的摩擦载荷导致SiO2粒子粉碎性破碎,破碎的SiO2粒子弥散嵌入高温软化的基体中而弱化了犁沟作用,导致摩擦因数对SiO2含量的变化不敏感;弥散分布的SiO2粒子强化基体表面强度,导致其磨损率随SiO2含量的增加而降低。

石墨表面镀铜对石墨-铜复合材料强度影响的研究

石墨与铜的界面结合及石墨在基体中的分布方式是影响石墨－铜基复合材料抗弯强度的重要因素。本文用镀铜石墨粉制备石墨－铜复合材料，并测定了材料的抗弯强度，对断口进行扫描分析。结果表明，石墨经镀铜处理后，使得石墨－铜复合材料抗弯曲强度显著提高。

M_(n+1)AX_n三元层状陶瓷增强铜基复合材料的研究进展

回顾了颗粒增强铜基复合材料的发展和常用颗粒增强相;简介了新型三元层状陶瓷材料Mn+1AXn,并将其主要成员与常用铜基复合材料增强相进行比较;介绍了Mn+1AXn陶瓷与铜的复合材料目前的研究进展;展望了该类复合材料的发展和应用前景。

纳米氧化锆增强铜基复合材料

采用粉末冶金法制备了纳米氧化锆增强铜基复合材料,分析研究了压制压力、ZrO2含量对Cu-ZrO2复合材料性能的影响。结果表明,当ZrO2含量为7%、压制压力为600MPa时,Cu-ZrO2铜基复合材料具有最佳的综合物理力学性能,强化相ZrO2粒子以纳米级弥散分布于铜基体内,可有效地阻碍位错运动和晶界滑移,提高铜基复合材料的强度和耐热性,并在高电导率的条件下,使铜基复合材料的强度和硬度明显提高。

镀镍石墨粉与铜基自润滑材料摩擦磨损特性研究

采用粉末冶金复压复烧工艺制备铜基石墨复合材料，考察了不同载荷条件下铜基石墨复合材料的摩擦磨损性能．结果表明：在载荷20～60N条件下，含6％（质量分数）石墨的铜基复合材料经历了轻微磨损、中等磨损到严重磨损3个过程；石墨颗粒表面镀镍可以提高石墨与铜合金基体的界面结合强度以及磨损过程中所形成的转移层与基体问的粘附性能，含6％镀镍石墨的铜基复合材料的自润滑性能得到改善，只经历了轻微磨损和中等磨损2个过程．

Cr_2AlC颗粒增强Cu基复合材料的制备及力学性能研究

用粉末冶金方法制备了Cr_2AlC颗粒增强Cu基复合材料,研究了Cr_2AlC颗粒加入量对Cu基复合材料显微组织、密度、力学性能的影响。结果表明:Cr_2AlC颗粒弥散分布于Cu基体中,对Cu/Cr_2AlC复合材料的致密化和晶粒长大有一定阻碍作用;随着Cr_2AlC质量分数的增加,材料的密度呈下降趋势,硬度明显提高,而压缩率降低。

纳米相增强铜基复合材料制备技术的研究进展

综述了原位反应合成法、内氧化法、大塑性变形法、机械合金化法、粉末冶金法5类制备工艺的机理、特点和研究现状。原位反应合成法具有浸润性好,界面清洁等优点,但制备工艺成本高,不适于规模化生产;内氧化工艺简单、成本低,但容易造成组织缺陷;大塑性变形工艺可制备粒度可控性好,界面清洁的复合材料,但粒度分布不均匀;机械合金化工艺简单易行、产量高,但粒径分布宽,易混入杂质;粉末冶金工艺制得的产品界面反应少、分布均匀、可以进行机加工,但生产工艺复杂、成本高,复合材料界面容易受到污染。最后还探讨了纳米相增强铜基制备技术未来的发展趋势。