粉末冶金法制备Cu_SiO2纳米复合材料的组织与性能.pdf

第5 9 卷第1 期 2007 年2 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V o I ．5 9 ．N o ．1 F e b r u a r y 200 7 粉末冶金法制备C u ／S i 0 2 纳米复合材料的组织与性能 汪峰涛，吴玉程，王文芳，张建华 合肥工业大学材料学院，合肥2 3 0 0 0 9 摘 要采／I I 粉末冶金法制备C u ／S i 0 2 纳米复合材料，研究S i 0 2 含量对复合材料性能的影响。结果表明，在烧结过程中， C u ／S i 0 2 复合材料的体积收缩，密度增加，并且随s i 0 2 含量提高，C u ／S i 0 2 纳米复合材料的电导率降低，维氏硬度和机械性能明显 升高。退火温度曲线表明，C u ／S i 0 2 复合材料的软化温度为7 5 0 1 2 ，高于纯铜的软化温度1 5 0 1 2 ，具有很好的热稳定性。 关键词金属材料；铜；纳米复合材料；二氧化硅；电导率；硬度 中圈分类号T B 3 3 1 ；T G l 4 6 ．1 1 ；T G l l 3 ．2 5文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 7 0 1 0 0 3 8 0 3 纳米级微粒增强铜基复合材料，采用颗粒增强 技术在软韧的C u 基体中形成弥散分布的硬质点来 提高材料的强度、耐磨性，改善基体的室温和高温性 能，又不明显降低铜基体的导电性，达到导电和强 度、耐磨性能综合提高的效果1 1 - 4 ] 。 颗粒增强C u 基复合材料的力学性能主要取决于 铜基体、增强体的性能以及增强体与基体之间界面的 特性∞- 7 ] 。采用，z S i 0 2 颗粒作为第二相增强C u 基 复合材料，可以得到较好的弥散强化效果，C u ／S i 0 2 复 合材料显著地提高了纯铜材料的强度、耐磨性和耐高 温性能，其导热、导电性能尽管有所下降，但仍保持在 较高的水平，而且其热稳定性得到很好地改善。通过 在C u 基体加入不同质量分数的竹一S i 鹞颗粒，通过等 静压压坯、烧结得到C u ／S i O z 纳米复合材料，并对材 料进行了各项性能测试和机理分析。 1买验方法 试验采用电解C u 粉 纯度9 9 ．9 ％，粒度7 4 t - m 和挖一S i 0 2 粉 纯度9 9 ．9 ％，粒度5 0 n m 为原料。将 预先经过退火处理的粉末混合成均匀试样 试样的 S i 0 2 质量分数依次为2 ％，1 ．5 ％，1 ％，0 ．7 ％， 0 ．5 ％，0 ．3 ％ 经过湿磨、造粒，压制成规格为4 0 m m 8 r a m 5 r a m 的试样 压力机压制力为1 5 t ，保压 收稿目期2 0 0 5 ～0 7 0 9 基金项目安徽省“十五”二期科技攻关项目 0 4 0 0 2 0 3 9 2 ； 合肥市重点科技攻关项目 2 0 0 5 1 0 0 4 作者简介汪峰涛 1 9 8 0 一 ，男，安徽淮北市人，博士生，主要从事 纳米功能材料等方面的研究； 联系人吴玉程 1 9 6 2 一 ，男，合肥市人，教授，博士生导师，主要 从事金属功能材料和纳米复合材料等方面的研究。 3 0 s ，将成型后的试样放入瓷舟中用～2 0 3 粉末将 试样完全覆盖后 A l 0 ，粉末的主要作用是用作保 温剂，同时将各个试样分割开，防止烧结时粘结到一 起 放入G K 一2 D 高温扩散炉中，通人H 2 作为保护气 氛，在8 9 0 ℃温度下烧结。 试样经打磨、抛光和腐蚀后在X J L 一0 2 型立式金 相显微镜下看其金相组织，并进行拍照。采用浸入 法测定试样烧结前后的密度，根据公式”z p ／V 得出烧结前后密度。按G B l 9 9 4 ．2 8 8 国家标准，采用 伏安法并根据公式1 0 U b h ／ J L 计算出电 阻率，测量电路图如图1 所示。通过H V 一1 0 型维氏硬 度计测量试样的维氏硬度，由公式H V 1 ．8 5 4 4 F ／d 2 计算旧』出其维氏硬度。 1 一毫伏表；2 一弹性铜接触极；3 一电位针；4 一试样； 5 一电流表；6 一直流电源；7 一变阻器；8 一开关 图1伏安法测量电阻率电路 H g ．1 C i r c u i to fm e a s u r i n gr e s i s t i v i t yb yv o l t a m p e r em e t h o d 2 试验结果与讨论 2 ．1 n ．S i Q 对C u ／S i 0 2 纳米复合材料密度的影响 表l 是C u ／S i 0 2 复合材料烧结前后的体积、质 量、密度和电阻率。从表1 可以看出，尽管烧结后， 万方数据 第1 期 汪峰涛等粉末冶金法制备C u ／S i 0 2 纳米复合材料的组织与性能 3 9 坯体的质量有所下降，但是与体积收缩量相比，则是 比较小的，因此烧结后密度增加。而且，无论烧结前 后，复合材料的密度都比铜的密度要小。通过压制、 烧结的方法来制备的烧结铜，实际密度很难达到 8 ．9 2 9 ／c m 3 。首先，在复合材料的混合粉料压制过程 中，压坯密度和压制压力之间存在着复杂的关系归o ； 其次，复合材料烧结过程中，孔隙体积收缩、烧结时间 和烧结环境等都是影响烧结密度的重要因素。 表1C u ／S i 0 2 复合材料烧结前后的 体积质量密度和电阻率 T a b l e1 V o l u m e ，m a s s ，d e n s i t ya n dr e s i s t i v i t yo fC u ／S i 0 2 n a n o c o m p o s i t e sp r e a n dp o s t - ．s i n t e r i n g 注V 一体积，m 一质量，p 一密度，k 一电阻率 图2 所示为不同质量分数的C u ／S i 0 2 纳米复合 材料典型金相组织。C u ／S i O ，复合材料坯体烧 结L 1 0 _ 1 1 1 时，铜基体和二氧化硅颗粒不发生反应，仅 仅是在表面能的驱动作用下，金相显微组织在排列 上致密化和结晶程度更完善。复合材料坯体虽然有 明显的体积收缩，但是微观金相组成并未变化。因 此鲍一S i 0 2 颗粒在C u ／S i 0 2 复合材料金相组织中，表 现为大量分散的细小黑点№J 。从图2 可以看到，随着 咒一S i 0 2 含量的增加，咒一S i 0 2 颗粒分布更加密集，同 时铜的单相区减少。金相组织中有的地方出现了 i t ／一S i 0 2 不均匀分布、丛聚的现象。这是因为复合材 料制备过程中，混料不均，烧结过程中，／．- ／一S i 0 2 颗粒 和铜基体之间发生扩散与组织均匀化时，由于烧结 组织不可能在理想的热力学条件下获得，而要受到 固态下扩散动力学的限制，另外粉末烧结还取决于 粉末的形态、粒度、接触状态以及晶体缺陷、结晶取 向等因素的影响。弥散相咒一S i 0 2 含量较多时，分布 不均匀，会影响复合材料的性能。 a 一C u ／2 ．0 ％S i 0 2 ； b 一C u ／1 ．0 ％S i 0 2 ； c 一C u ／o ．3 ％S i 0 I 图2C u ／S i O z 纳米复合材料微观组织的金相照片 F i g ．2M e t a l l o g r a p h i co fC u ／s i 0 2n a n o c o m p o s i t e s 图3C u ／S i 0 2 纳米复合材料硬度 随退火温度的变化 F i g ．3 V a r i a t i o no fC u ／S i 0 2n a n o c o m p o s i t eh a r d n e s s w i t ha n n e a l i n gt e m p e r a t u r e 2 ．2 n ．S i 0 2 对C u ／s i 0 2 纳米复合材料电阻率的影响 从表1 可知，由于弥散相咒．S i 0 2 的加入，C u ／ S i 0 2 纳米复合材料的电阻率明显高于纯铜。并且 随着r ／．S i 0 2 含量逐渐增加，电阻率也相应增大。 因为金属材料的电阻来源于金属内部微观组织的不 完整性。当加入第二相后，第二相粒子复合以及金 属基体再结晶，产生晶体缺陷，诸如位错环、位错晶 界、空穴和相界等，使晶格势场变得极不规则，影响 了电子受电场加速产生的定向运动，从而减弱了复 合材料的导电性。另外从表1 还可知，退火后复合 材料的电阻率也有所增大。这是因为退火后，复合 材料密度增加，位错和空穴均减少，晶界密度增加。 2 ．3 加S i 0 2 对C u ／S i 0 2 纳米复合材料硬度的影响 及复合材料的热稳定性 万方数据 有色金属第5 9 卷 图3 所示为C u ／S i O ，复合材料的硬度随退火温 度的变化曲线。复合材料的硬度高于纯铜，因此咒一 S i 0 2 起到了一定的增强作用。另外，C u ／S i 0 2 复合 材料的硬度随着，z S i O ，含量的增加而提高。主要 由于规一S i 0 2 颗粒十分细小，填入复合材料的孑L 隙 中，提高了致密度，同时沉淀相周围留下的位错环让 位错从微粒间穿过，位错密度下降，并形成亚稳结 构，引起弥散强化效果和形变强化效果增加的原因。 同时在6 0 0 ℃之前随着退火温度的升高，复合材料 的硬度也相应的提高。当温度超过6 0 0 ℃后，硬度 降低。此时，材料发生再结晶，产生异常大晶粒。同 时随着温度的升高，扩散加快，晶界处的以一S i 0 2 颗 粒增加，导致复合材料的断裂韧性降低，裂纹产生， 所以硬度有降低L 12 | 。 参考文献 另外软化是复合材料硬度降低的另一个原因。 图3 中，以硬度随着温度下降到8 5 ％的点作为软化 温度，在7 5 0 ℃左右，远远超过了纯铜的软化温度 1 5 0 ℃。C u ／S i O ，复合材料再结晶和软化温度高，高 温时硬度变化小，因此具有良好的热稳定性。 3结论 ，z S i 0 2 颗粒的加入使复合材料的密度增加，电 阻率和硬度升高，而且随着，z S i O ，含量增加，电阻 率和硬度也相应增大，机械性能明显升高。咒一S i 0 2 的加入能明显提高C u ／S i 0 2 纳米复合材料的软化温 度。纯铜的软化温度大约在1 5 0 ℃，而C u ／S i 0 2 纳 米复合材料的软化温度大约为7 5 0 ℃，因此C u ／S i 0 2 纳米复合材料具有良好的高温热稳定性。 [ 1 ] W a n gXH ，Z h uZD ，K o n gLH ．F r i c t i o na n dw e a rb e h a v i o ro fC u b a s e da l l o y ／T i Cc e r m e tc o m p o s i t eh a r d f a c i n gm a t e r i a l s [ J ] ． T r i b o l o g y ，2 0 0 1 ，2 1 5 3 3 0 3 3 4 ． [ 2 ] T j o n gSC ，L a uKC ．T r i b o l o g i c a lb e h a v i o ro fS i Cp a r t i c l e r e i n f o r c e dc o p p em a t r i xc o m p o s i t e s [ j ] ．M a t e r i a l sL e t t e r s ，2 0 0 0 ， 4 3 2 7 4 2 8 0 ． [ 3 ] 张毅，周延春．T i 3 S i C 2 弥散强C u 一种新的弥散强化铜合金[ J ] ．金属学报，2 0 0 0 ，3 6 6 6 6 2 6 6 6 ． [ 4 ] 刘涛，郦剑，凌国平，等．颗粒增强铜基复合材料研究进展[ J ] ．材料导报，2 0 0 4 ，1 8 4 5 3 5 5 ． [ 5 ] R a p o p o r tL ，L v o v s k yM ，L a p s k e rI ，e ta 1 ．F r i c t i o na n dw e a rb e h a v i o ro fp o w d e rc o m p o s i t e si n c l u d i n gf u l l e r e n e l i k eW S 2 n a n o p a r t i c l e a [ J ] ．W e a r ，2 0 0 1 ，2 4 9 1 5 0 1 5 7 ． [ 6 ] T uJP ，W a n gNY ，Y a n gYZ ，e ta 1 ．P r e p a r a t i o na n dP r o p e r t i e so fT i B 2n a n o p a r t i c l er e i n f o r e e dc o p p e rm a t r i xc o m p o s i t e sb yi n s i t up r o c e s s i n g [ J ] ．M a t e r i a l sL e t t e r s ，2 0 0 2 ，5 2 4 4 8 4 5 2 ． [ 7 ] N a s e rJ ，R i e h e m a n nW ，F e r k e lH ．D i s p e r s i o nh a r d e n i n go fm e t a l sb yn a n o s c a l e dc e r a m i cp o w d e r s [ J ] ．M a t e r i a l sS c i e n c ea n d E n g i n e e r i n g ，1 9 9 7 ，A 2 3 4 2 3 6 4 6 7 4 6 9 ． [ 8 ] 周玉．陶瓷材料学[ M ] ．哈尔滨哈尔滨工业大学出版社，1 9 9 5 3 2 7 ． [ 9 ] 黄培云．粉末冶金原理[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 9 7 2 6 8 2 8 0 ． [ 1 0 ] 陆佩文．元机材料学基础[ M ] ．武汉武汉工业大学出版社，1 9 9 6 2 8 1 3 0 9 ． [ 1 1 ] 洛阳铜加工厂中心实验室金相组．铜及铜合金金相图谱[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 8 3 4 8 6 8 ． [ 1 2 ] 徐润泽．粉末冶金结构材料学[ M ] ．长沙中南工业大学出版社，2 0 0 2 9 3 9 6 ． M i c r o s t r u c t u r ea n dP r o p e r t i e so fC u ／S i 0 2N a n o c o m p o s i t e sP r e p a r e db yP o w d e rM e t a l l u r g yT e c h n o l o g y W A N GF e n g - t a o ，W UY u c h e n g ，W A N GW e n f a n g ，Z H A N GJ i a n h u a F a c u l t yo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，H e f e iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，H e f e i2 3 0 0 0 9 ，C h i n a A b s t r a c t T h eS i 0 2n a n o p a r t i c l e sr e i n f o r c e dC u m a t r i xc o m p o s i t e sa r ep r e p a r e db yp o w d e rm e t a l l u r g yt e c h n o l o g y ． T h ei n f l u e n c e so fS i 0 2c o n t e n to nt h ep r o p e r t i e so fC u m a t r i xc o m p o s i t e sa r es t u d i e d ．T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a tt h ev o l u m e so fC u ／S i 0 2n a n o c o m p o s i t e sa r ec o n t r a c t e da n dt h ed e n s i t i e si n c r e a s e da f t e rs i n t e r i n g ． W i t ht h ei n c r e a s eo ft h eS i 0 2c o n t e n t ，t h ec o n d u c t i v i t yr a t eo ft h ec o m p o s i t ei sd e c r e a s e d ，w h e r e a st h eh a r d n e s s a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r eo b v i o u s l yi n c r e a s e d ．I ti si n d i c a t e db yt h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r ec u r v et h a tt h e h i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t yo ft h eC u ／S i 0 2n a n o c o m p o s i t ei se x c e l l e n t ，t h ei n t e n e r a t i n gt e m p e r a t u r ei sa b o u t 7 5 0 ℃f a rh i g h e rt h a nt h a to fp u r ec o p p e r ．1 5 0 ℃． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；c o p p e r ；n a n o c o m p o s i t e s ；S i 0 2 ；c o n d u c t i v i t y ；h a r d n e s s 万方数据