b冶金法制备CuSiO2纳米复合材料的组织与性能.pdf
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1、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 sV o I 5 9 N o 1F e b r u a r y200 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
2、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
3、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、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 m8 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
5、(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
6、(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 1C 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 d2 试验结果与讨论2 1n 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
7、 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
8、的体积质量密度和电阻率T a b l e1V 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 2n 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
9、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
10、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 3V a r i a t i o no fC u S i 0 2n a n o c o m p o
11、s i t eh a r d n e s sw i t ha n n e a l i n gt e m p e r a t u r e2 2n 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
12、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
13、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
14、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
15、 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
16、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
17、gf u l l e r e n e l i k eW S 2n 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 ns i t up r o c e s s i n g J
18、 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 dE 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
19、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
20、 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 yW 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
21、 e f e i2 3 0 0 0 9,C h i n a)A b s t r a c tT 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 x
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