增强体表面改性在高导热金属基复合材料中的应用

随着电子技术的高速发展和电子器件的更新换代,电子封装材料的性能需求越来越高。金属基复合材料,尤其是铝基和铜基复合材料具有高导热、低膨胀、高稳定性等特点,是具有广阔应用前景的电子封装材料。然而,金刚石、石墨烯、硅等增强体与基体的润湿性差,或者在高温下与基体发生有害的界面反应,限制了此类高导热金属基复合材料的开发和应用。本文简述了金属基复合材料的界面研究进展,结合影响金属基复合材料界面结合的因素,提出了几种改善界面结合的方法。增强体表面改性是改善金属基复合材料界面的重要途径之一,常用工艺有磁控溅射法、化学气相沉积法、溶胶凝胶法、化学镀法等;最后,对增强体表面改性在高热导金属基复合材料中的应用进行分析和展望。

粉末冶金制备碳纳米管增强铜基复合材料研究进展

碳纳米管具有优异的力学性能和导电、导热性能,作为增强体引入铜基体中有望开发出新一代高强、结构功能一体化的复合材料。然而,碳纳米管在铜基体中的分散性较差及其与铜的润湿性问题,成为制备碳纳米管增强铜基(CNTs/Cu)复合材料的主要挑战,并显著影响了复合材料的性能。本文对目前有关制备碳纳米管增强铜基复合材料的主要方法包括碳纳米管前期预处理方法、碳纳米管在铜粉末中分散的方法、复合材料的烧结方法进行总结,概述复合材料的力学性能、摩擦磨损性能以及导电导热性能的研究进展,并提出思考和展望,以便为制备CNTs/Cu复合材料研究提供参考。

镀铜石墨对铜基制动闸片组织及性能的影响

采用化学镀的方式在鳞片状石墨表面镀铜来改善铜基制动闸片中石墨和铜基体的界面结合,制定了化学镀铜配方及工艺,并研究了4种不同镀液温度对镀铜效果的影响。对镀铜后的石墨进行显微组织观察和能谱分析可知:随镀液温度的升高,镀铜效果先升后降,最好的施镀温度为50℃。用热压烧结法制备出镀铜石墨/铜基制动闸片(FM1)与非镀铜石墨/铜基制动闸片(FM0),并对其进行力学性能、物理性能测试以及制动测试,并采用扫描电镜和能谱仪对制动闸片在制动前后的表面形貌进行观察及分析。结果表明:与FM0相比,FM1中石墨分布更细小均匀,因此样品的致密度较高,硬度、抗压强度和热导率也随之增大。在不同制动初速度下,随制动初速度的提高,两种闸片的摩擦系数均出现先略微增高、后平稳,然后显著降低的趋势,但FM1的摩擦系数总体比FM0的摩擦系数更高且稳定,线磨损率也相对较小。在350 km/h高速制动条件下,由于摩擦热引起的材料表面软化,两种制动闸片的摩擦系数差别不大,都呈现显著下降趋势。

壳核结构氧化铝@石墨烯复合粉末增强铜基复合材料摩擦学性能研究

如何充分发挥润滑组元和耐磨组元的协同作用以提高铜基复合材料摩擦学性能仍面临具大的挑战。以石墨烯为润滑组元,氧化铝为耐磨组元,对比了氧化铝和石墨烯组装为壳核结构前后对铜基复合材料摩擦学性能的影响。结果表明,与氧化铝和石墨烯分别以独立相分布于铜基体的情况相比,氧化铝和石墨烯组装为壳核结构后可以提高铜基复合材料的致密度、硬度,并有利于在磨痕表面形成连续且具有保护性的摩擦层。因此,在10~40 N载荷范围内干摩擦,后者比前者具有更低的摩擦因数和磨损率。

基体铬合金化增强石墨烯/铜复合材料摩擦学性能研究

如何通过优化石墨烯/铜复合材料的界面结构来提高复合材料的摩擦学性能成为石墨烯增强铜基复合材料领域重要的研究方向之一。采用铜铬合金(CuCr)作为基体材料,还原氧化石墨烯(RGO)作为增强相,通过溶液搅拌混合和热压烧结工艺制备得到了RGO/CuCr复合材料。对比了添加铬元素前后复合材料的减摩耐磨性能,基于磨痕表面成份和形貌的分析探讨了铜基体铬合金化对石墨烯/铜复合材料摩擦学性能的作用机制。结果表明,铜基体铬合金化使复合材料具有更小更稳定的摩擦因数和更低的比磨损率,特别是在高载荷工况下。性能提高的原因归结为铜基体铬合金化有利于在摩擦过程中复合材料表面形成致密而连续的富石墨烯摩擦层。

铜基体铬合金化对二硫化钼/铜复合材料摩擦学性能的影响及作用机制研究

基于铜基体铬合金化的策略,研究了铬含量对二硫化钼/铜复合材料在氮气气氛下摩擦学性能的影响。结果表明,在复合材料中加入1.5wt%铬,摩擦系数低至0.07,磨损率为2.4×10^(-4)mm^(3)·N^(-1)·m^(-1),分别是未添加铬的复合材料的64%和20%。通过透射电镜、X射线光电子能谱、扫描电镜分别对二硫化钼/铜界面结构、摩擦层成分及磨痕亚表层形貌进行了详细的分析,揭示了铜基体铬合金化对二硫化钼/铜复合材料摩擦学性能的作用机制。

多步法原位制备TiB2颗粒增强点焊电极用铜基复合材料及其应用

为提高点焊电极的使用寿命,采用多步法制备TiB2增强的铜基复合材料。采用X射线衍射(XRD)、金相显微技术、扫描电镜(SEM)等表征手段对多步法制备的TiB2增强的铜基复合材料物相、微观形貌进行分析。通过对复合材料力学性能指标测量发现,多步法制备所制备的铜基复合材料具有较好的综合力学性能,将多步法制备的铜基复合材料加工成点焊电极,其寿命测试结果相较于其它对比样最高,寿命达到1500个焊点,是普通铬锆铜点焊电极寿命的2.6倍。

高导电高耐热铜合金及铜基复合材料的研究现状与展望

高导耐热铜基材料作为现代高新技术用关键材料之一,已被广泛应用于轨道交通、电子通信和航空航天等领域。本文从铜合金和铜基复合材料两大领域入手,介绍了常见高导耐热铜材料的设计思路、制备方法、微观组织结构、力学性能和物理性能,并对其导电机制和高温强化机理进行了归纳和阐释,最后对高导耐热铜基材料的研究现状和未来发展进行了总结与展望。

氧化石墨烯负载氧化铈对铜基复合材料性能的影响

为了提高铜基复合材料的综合性能,本试验设计了三种高强度、高导电性的电触头材料。将氧化石墨烯(GO)和CeO_(2)纳米粒子优良的电学和力学性能引入到电接触性能稳定的铜基复合材料中,采用放电等离子烧结(SPS)的方法制备了Cu/30Cr、0.5GO/CeO_(2)-Cu/30Cr、1.0GO/CeO_(2)-Cu/30Cr三种电触头材料,研究氧化石墨烯负载氧化铈对铜基复合材料性能的影响。研究结果显示在烧结过程中,GO被还原为rGO,原位形成的Cr_(3)C_(2)和CeO_(2)纳米颗粒的位错钉扎效应对材料起到了强化作用,氧化石墨烯负载氧化铈的加入提高了复合材料的综合性能。

TiC含量对SPS制备TiC/Cu复合材料力学与摩擦学性能的影响

采用等离子烧结技术(spark plasma sintering,SPS)制备了不同质量分数TiC颗粒增强的铜基复合材料,研究了不同烧结温度和TiC含量的铜基复合材料的微观结构,考察了TiC含量对铜基复合材料电导率、纳米力学性能、显微硬度、拉伸性能和摩擦学行为的影响。结果表明:850℃烧结得到的TiC/Cu复合材料组织致密,增强体和基质相结合良好。一方面,随着TiC含量的升高,TiC/Cu复合材料中的铜基质相的晶粒不断得到细化,晶界密度升高,导致复合材料的硬度和屈服强度升高。另一方面,TiC含量的增加逐渐导致增强体和基质相的结合界面出现孔隙和裂纹,并成为应力集中和裂纹形成的首选位置,造成复合材料电导率、抗拉强度和伸长率的下降。TiC质量分数为5%~15%时,复合材料的抗拉强度、弹性模量和屈服强度较高,硬度适当,综合力学性能较好。当TiC质量分数超过20%时,TiC/Cu复合材料的屈服强度大幅降低,复合材料断裂机制由韧性断裂转为脆性断裂。TiC增强体显著改善了铜基复合材料的摩擦学性能,摩擦过程中复合材料摩擦因数和磨损量随载荷增大呈线性增加,并随TiC含量的升高呈下降趋势。在TiC质量分数为20%时,复合材料具有最高的耐磨性和最低的摩擦因数,其磨损机制以磨粒磨损为主,且伴随轻微黏着磨损和氧化磨损。

挤压速度对搅拌摩擦反挤压法制备Cu-5%Ti_(2)SnC复合丝材性能的影响

对粉末冶金法制备的含5%(体积分数)Ti_(2)Sn CMAX相的初始复合材料进行搅拌摩擦反挤压(FSBE)处理,研究FSBE工艺的轴向横移速度对Cu-Ti_(2)Sn C复合线材显微组织、力学性能、电学性能和磨损性能的影响。结果表明,随着挤压速度的增加,显微组织中孪晶增多,Ti_(2)SnC颗粒细化,MAX相和Cu基体之间的界面结合改善。当转速为600r/min,轴向横移速度为25mm/min时,Cu-Ti_(2)SnC复合线材具有最大的硬度、屈服强度和极限抗拉强度,分别为HV 132.7、278.34MPa和485.15MPa,这是其更强的界面结合和更细的MAX相导致的。此外,当转速为600 r/min,轴向横移速度为25 mm/min时,Cu-Ti_(2)SnC复合丝的电导率最高,达到89.21%(IACS),磨损率最低,为0.0015 mg/m,这是其更大的晶粒尺寸、更强的界面结合与更低的密度导致的。

不同载荷下镀镍石墨-铜基复合材料的载流摩擦性能

首先采用化学镀的方法在石墨表面镀Ni,随后采用快速热压方法制备10 mass%镀Ni石墨-铜基复合材料。在不同载荷下对复合材料开展了载流摩擦实验,采用扫描电镜观察了复合材料的磨损表面形貌,进而从磨损表面形貌特征分析其损伤机制。结果表明:在石墨表面成功镀覆了致密且均匀的Ni金属层,化学镀镍有效改善了石墨和铜之间的润湿性;镀镍石墨-铜基复合材料的相组成为石墨和铜基体两相,石墨在铜基体中呈弥散分布,未形成连续网状结构;随载荷的增加,复合材料的摩擦系数逐渐降低,磨痕宽度和磨损率逐渐升高,载流效率和载流稳定性逐渐下降;在低载荷下(20和40 N),复合材料的损伤机制以显微切削为主;随着载荷的增加(60和80 N),电侵蚀加剧,成为主要的损伤机制。

石墨烯增强铜复合材料摩擦性能研究

通过原位合成石墨烯结合粉末烧结法制备了石墨烯增强铜复合材料,然后在空气环境中研究石墨烯增强铜复合材料的摩擦性能。实验选用直径为6 mm的WC磨球与复合材料组成摩擦副,利用摩擦磨损试验机对材料进行摩擦磨损测试。采用SEM、EBSD、EDS和三维轮廓形貌仪等相关检测设备对复合材料的微观组织结构以及磨损的表面形貌结构进行分析表征。结果表明,相比于纯铜材料,石墨烯增强铜复合材料具有更低的摩擦系数,这主要归功于复合材料较高的硬度以及石墨烯的自润滑效应。最后结合复合材料的磨损形貌给出了相关的磨损机制。

热处理对石墨烯增强铜基材料的力学性能影响

研究基于分子级混合及均质机均质的协同作用下,使用放电等离子体烧结工艺制备出石墨烯增强铜基复合材料,并设计试验探究不同热处理方法对复合材料热处理后对其力学性能的影响情况,由试验结果可知,热处理可以显著提高石墨烯增强新型建筑镁基复合材料的冲击性能、拉伸性能及致密度。其中水冷处理效果最优,空冷处理效果略差,而炉冷效果最差,经过水冷热处理后,材料的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、致密度和冲击性能提高了31.4%,39.5%,127.7%,59.93%和16.69%,表明水冷是优选的石墨烯增强新型建筑镁基复合材料热处理冷却方式。

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。

铜包覆Ti_(2)AlC增强铜基复合材料的制备及性能

通过化学镀技术在Ti_(2)AlC粉体表面镀上一层金属铜,然后以铜粉、镀铜Ti_(2)AlC粉为原料,采用烧结法制备了10%Ti_(2)AlC/Cu复合材料。结果表明:化学镀铜溶液pH为11~12时,Ti_(2)AlC粉体表面的铜镀层光滑致密、不易脱落。10%Ti_(2)AlC/Cu复合材料的组织分布均匀,镀铜Ti_(2)AlC颗粒与铜基体结合紧密;复合材料相对密度为94.31%,导电性能和硬度相对于纯铜稍有下降;复合材料的平均摩擦系数随着载荷的增加稍微下降,从10 N时的0.4862到30 N时的0.3858,相对于纯铜有明显降低;复合材料的磨损率随着载荷增加逐渐下降,从10 N时的0.208 g·N^(-1)·m^(-1)变为30 N时的0.147 g·N^(-1)·m^(-1)。表明复合材料具有较好的耐磨性。

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。

颗粒增强铜基复合材料的研究现状与发展趋势

铜及铜合金具有优异的导电、导热和延展性,但是较差的力学性能限制了其在工业领域中的进一步应用,而复合化被认为是提升其综合性能的有效途径之一。总结了颗粒增强铜基复合材料常见增强相的选择依据,综述了颗粒增强铜基复合材料的制备方法、影响其性能的关键因素以及性能调控措施,最后结合制备方法中存在的问题对未来研究方向提出了一些新思路。

镀铜石墨含量对Fe-25Cu基摩擦材料组织结构及摩擦性能的影响

目的为改善石墨与铜铁基摩擦材料的结合方式,探究不同含量的镀铜石墨对铜铁基摩擦材料组织结构的影响,并研究加入不同含量的镀铜石墨时,摩擦材料的摩擦性能和摩擦机理。方法采用热压烧结法制备Fe-25Cu基摩擦材料,利用扫描电镜、X射线衍射等表征手段进行表征,并利用摩擦磨损试验机测试摩擦材料的摩擦性能,分析摩擦因数。摩擦试验后的材料利用扫描电镜进行表面观测,分析摩擦磨损机理。计算材料摩擦后的磨损量,以此分析镀铜石墨含量对摩擦材料的影响。结果相同转速下随着镀铜石墨含量的增加,平均摩擦因数降低,当镀铜石墨的质量分数为9%时,摩擦因数曲线最平稳;随着镀铜石墨含量的增加,摩擦因数逐渐降低,磨损率先减少后增加。当加入9%的镀铜石墨时,该材料的摩擦性能最好,此时材料的摩擦因数为0.436,磨损率最低为0.023mm;黏着磨损和磨粒磨损是添加镀铜石墨的摩擦材料的主要摩擦机理。结论在Fe-25Cu基摩擦材料中镀铜石墨与基体的结合情况优于石墨与基体的结合,同时加入镀铜石墨Fe-25Cu基摩擦材料的摩擦因数高,磨损量小。

石墨烯增强铜基复合材料的界面调控及其性能研究进展

铜基复合材料有望全面提升铜及铜合金的力学性能和导电、导热等功能特性。石墨烯具有优异的力学和物理性能,是铜基复合材料的理想增强相。石墨烯/铜界面的性质决定了复合材料性能,进行界面调控以提高石墨烯/铜的界面结合性已成为研究人员关注的热点问题。总结了近几年开发的石墨烯缺陷设计法、碳-碳杂化增强相法、金属和陶瓷纳米颗粒修饰石墨烯法以及原位生长石墨烯和石墨烯复合增强相法等多种界面调控策略,讨论了多种界面调控策略对石墨烯增强铜基复合材料的力学、导电、导热性能的作用机理,展望了应用界面调控策略研发的高性能复合材料的应用前景和未来研发的发展方向。