（材料學(xué)專業(yè)論文）碳纖維增強(qiáng)cuti3sic2復(fù)合材料的制備和性能研究.pdf

武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 碳纖維 c f 具有高比強(qiáng)度 離比模量 低密度 耐高溫 耐腐蝕 耐疲勞 抗蠕變 導(dǎo)電 導(dǎo)熱 熱膨脹系數(shù)小和優(yōu)良的自潤滑和減摩性能等一系列優(yōu)異 的性能 這些性能使其成為近年來最重要的增強(qiáng)材料之一 碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù) 合材料的電導(dǎo)熱導(dǎo)率高 具有自潤滑和抗電弧侵蝕等優(yōu)異性能 是一類很有發(fā) 展前途的功能復(fù)合材料 新型層狀陶瓷材料t i 3 s i c 2 集金屬和陶瓷的優(yōu)良性能于 一身 如低密度 高熔點(diǎn) 良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性 高彈性模量 高斷裂韌性 耐 氧化 耐熱震 易加工等 更有意義的是它具有超低的摩擦系數(shù)和優(yōu)良的自潤 滑性能 t i 3 s i c 2 對于c u 是一種有效的陶瓷增強(qiáng)相 因此在銅基體中引入一部分 t i 3 s i c 2 可以起到彌散強(qiáng)化的作用 使復(fù)合材料具有更加優(yōu)異的性能 本論文嘗試將c f 強(qiáng)化c u 與t i 3 s i c 2 彌散強(qiáng)化c u 結(jié)合 制備出c f 增強(qiáng) c u t i 3 s i c 2 復(fù)合材料 該材料將綜合c f c u 和t i 3 s i c 2 的優(yōu)良性能 從而成為 種值得研究的新型銅基功能復(fù)合材料 本文開展了t i 3 s i c 2 陶瓷粉末的制備研究 以t i s i c a 1 元素粉為原料 采 用無壓燒結(jié)的方法制備出純度較高的t i 3 s i c 2 陶瓷粉末 本論文用熱壓燒結(jié)法和 粉末冶金法兩種方法制各了短碳纖維增強(qiáng)c u t i 3 s i c 2 復(fù)合材料 對c f 表面電鍍 銅處理 復(fù)合材料的制備工藝進(jìn)行了重點(diǎn)研究 并對復(fù)合材料的密度 致密度 硬度 電阻率進(jìn)行了研究 c f 在基體中的潤濕性問題和均勻分布問題是該復(fù)合材料制備中需要解決的 關(guān)鍵技術(shù)問題 采用檸檬酸 酒石酸鹽鍍液 可在c f 表面獲得優(yōu)質(zhì)的鍍銅層 合 理控制電鍍工藝參數(shù)對鍍銅效果有十分重要的影響 對c f c u 粉和t i 3 s i c 2 粉 進(jìn)行濕混處理 可以使c f 在基體中得到均勻的分散 通過對比得出 熱壓法是制備c f 增強(qiáng)c u t i 3 s i c 2 復(fù)合材料的較好的方法 確定了熱壓制備復(fù)合材料的最佳工藝條件 當(dāng)v t s c1 0 時 復(fù)合材料的最佳 c f 含量為8 當(dāng)v t s c 1 5 時 最佳c f 含量為1 0 最佳熱壓燒結(jié)溫度為8 0 0 8 5 0 c 壓力3 0 m p a 保溫9 0 m i n 通過s e m 分析了復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu) 探討了碳纖維增強(qiáng)c u t i 3 s i c 2 復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)理和斷裂機(jī)制 關(guān)鍵詞 碳纖維 銅復(fù)合材料 碳纖維 t i 3 s i c 2 熱壓法 無壓燒結(jié)法 機(jī)理 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 j 一一 c a r b o nf i b e rp o s s e s s e sas e r i e so fo u t s t a n d i n gp r o p e r t i e s i e h i g hs p e c i f i cs 打e n g t h 1 1 i g hm o d u l u s 1 0 wd e n s i t y h i g ht e m p e r a t u r er e s i s t a n c e c o r r o s i o n r e s i s t a n c e a n t i f a t i g u e c r e e pr e s i s t a n c e e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y t h e r m a lc o n d u c t i v i t y l o w t o e 筑c i e n to f t h e r m a le x p a n s i o na n df i n es e l f l u b r i c a t i n g a n t i f r i c t i o n i tb e c o m e so n e o ft h em o s ti m p o r t a n tr e i n f o r c e dm a t e r i a l c a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dc o p p e rr h a t r i x c o m p o s i t e w i t hi t se x c e l l e n tp r o p e r t i e so fh i g he l e c l r i e a lc o n d u c t i v i t y h i 曲t h e r m a l c o n d u c t i v i t y s e l f l u b r i c a t i n g r e s i s t i n ge l e c t r i c a r ce r o s i o na n ds oo n i sap r o m i s i n g f u n c t i o n a lc o m p o s i t e t i 3 s i c 2i san o v e ll a y e r e dc e r a m i cm a t e r i a l i tc o m b i n e st h e m e r i t so fb o t ht h em e t a l sa n dc e r a m i c s i th a ss a l i e n tp r o p e r t i e s s u c ha sl o wd e n s i t y h i g hm e l t i n gp o i n t n i c ee l e c t r i c a la n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t y h i g he l a s t i cm o d u l u s h i 豳f r a c r 口et o u g h n e s s 疵d 蕊螄r e s i s t a n c e t h e r m a l s h o c kr e s i s l a u c ea n d m a c h i n a b i l i t y a n dm o r es i g n i f i c a n t l y i th a sv e r yl o wf r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dn i c e s e l f l u b r i c a t i n gp r o p e r t i e s t i 3 s i c 2i sap r o m i s i n gc e r a m i cr e i n f o r c e m e n tf o rc o p p e r s ot h ei n t r o d u c t i o no f t i 3 s i c 2 t ot h ec o p p e rm a t r i xw i l le x e nt h ee f f e c to fd i s p e r s i o n s t r e n g t h e n e dc o p p e r m a k i n gt h ec o m p o s i t e se x h i b i tm o r ee x c e l l e n tp r o p e n i e s t h i sp a p e rt r i e dt oc o m b i n et h ec a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dc o p p e ra n dt i 3 s i c 2 d i s p e r s i o ns t r e n g t h e n e dc o p p e r p r e p a r e dt h ec a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dc u t i 3 s i c 2 c o m p o s i t e s t l l i sm a t e r i a lm a yi n t e g r a t et h ee x c e l l e n tp r o p e r t i e so fc a r b o nf i b e r c o p p e ra n dt i 3 s i c 2 s oi tb e c o m e st oan o v e lc o p p e rm a t r i xf u n c t i o n a lc o m p o s i t e w o r t h yo fs t u d y t h ep r e p a r a t i o no ft i 3 s i c 2c e r a m i c sp o w d e rh a sb e e ns t u d i e d h i g hp u r i t yt i 3 s i c 2 p o w d e r sw e r ef a b f i c m e db yp r e s s u r e l e s ss i n t e f i n gf r o mt s i c a le l e m e n t a lp o w d e r s i nt h i sp a p e r s h o r tc a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dc u t i 3 s i c 2c o m p o s i t e sw e r ep r e p a r e db y h o tp r e s s i n ga n dp o w d e rm e t a l l u r g y e m p h a s i sw a sp l a c e do np l a t i n gc o p p e ro n c a r b o nf i b e ra n df a b r i c a t i n gt e c h n o l o g yo ft h ec o m p o s i t e a n dt h ed e n s i t y r e l a t i v e d e n s i t y h a r d n e s sa n de l e c t r i c a lr e s i s t i v i t yo f t h em a t e r i a lw e r ea l s or e s e a r c h e d i nt h ep r o c e s so ff a b r i c a t i n gt h ec o m p o s i t e t h e r ea r et w ok e yt e c h n i c a lq u e s t i o n s w h i c hi st h ew e t t i n gp r o p e r t ya n dh o m o g e n e o u sd i s t r i b u t i o no fc a r b o nf i b e r sw i t h i n t h em a t r i x h i g h q u a l i t yc o p p e r p l a t i n gc o a t i n gw a so b t a i n e db yu s i n gc i t r a t e t a r t r a t e 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 p l a t i n g s o l u t i o n a n dp r o p e rp l a t i n g p r o c e s s i n gp a r a m e t e rh a dv e r yi m p o r t a n t i n f l u e n c eo ne f f e c to fp l a t i n gc o p p e r u s i n gw e tm i x i n gm e t h o dt om i xw i t hc a r b o n f i b e r s c o p p e rp o w d e r sa n dt i 3 s i c 2p o w d e r sc o u l dd i s p e r s ec a r b o nf i b e r si nt h e m a t r i xh o m o g e n e o u s l y w i t hc o m p a r i s o n r e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a th o tp r e s s i n gi sab e t t e rm e t h o df o r f a b r i c a t i n gc a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dc u t i 3 s i c 2c o m p o s i t e s a n dt h eo p t i m a lh o t p r e s s i n gp a r a m e t e rw e r e w h e nt i s i c 2v o l u m ec o n t e n ti s1 0 t h eo p t i m u mc a r b o n f i b e rv o l u m ec o n t e n ti s8 w h i l et i 3 s i c 2i s15 t h eo p t i m u mc a r b o nf i b e rv o l u m e c o n t e n ti sl0 t h eo p t i m a ls i n t e r i n gt e m p e r a t u r ei sf r o m8 0 0 ct o8 5 0 4 c p r e s s u r ei s 3 0 m p a s o a k i n gt i m ei s9 0m i n u t e s t h em i e r o s t r u c t u r eo ft h ec o m p o s i t e sw a s i n v e s t i g a t e db yu s i n gs e m a n dt h es u e n g t h e nm e c h a n i s ma n df r a c t u r em e c h a n i c so f t h ec o m p o s i t e sw e r ea n a l y z e d k e yw o r d s c a r b o nf i b e f f c o p p e rc o m p o s i t e c a r b o nf i b e r z i 3 s i c 2 h o t p r e s s i n g p r e s s u r e l e s ss i n t e r i n g m e c h a n i s m i i i 亟墊里三盔堂墮主堂壁笙蘭 第一章緒論 i 1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 1 1 1 增強(qiáng)原理 纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料 承受載荷的主要是纖維 而粒子增強(qiáng)的復(fù)合材料 承載的則是基體材料 粒子增強(qiáng)是將適宜的粒子分散在基體中 它可以阻止造 成塑性形變的位錯 金屬材料 或分子鏈運(yùn)動 高分子材料 纖維增強(qiáng)是涉及面 最廣 發(fā)展最快的增強(qiáng)手段 纖維的增強(qiáng)作用取決于纖維與基體的性質(zhì) 結(jié)合 強(qiáng)度以及纖維在基體中的排列方式等 為了達(dá)到增強(qiáng)目的 對纖維及基體都有 一定要求 1 使纖維盡可能承擔(dān)更多的外加載荷 這樣必須選取強(qiáng)度與彈性模量都比 基體高的纖維 2 二者的結(jié)合強(qiáng)度要足以保證基體中所承受的應(yīng)力能傳遞到纖維上去 3 應(yīng)力作用的方向要與纖維平行 才能發(fā)揮纖維的增強(qiáng)作用 4 纖維與基體的線膨脹系數(shù)應(yīng)一致 5 商溫時 基體與纖維之閫不發(fā)生纖維性能降低的化學(xué)反應(yīng) 1 1 2 基體與增強(qiáng)材料的界面和結(jié)合強(qiáng)度 復(fù)合材料既然是由性質(zhì)不同形狀也不同的材料復(fù)合而成 了解組成復(fù)合材料 的不同材料的界面特點(diǎn)以及它們之間的結(jié)合狀況是很必要的 不同的材料接觸 面之間存在著以下幾種效應(yīng) 1 分割效應(yīng) 一個連續(xù)體被分割成許多區(qū)域時 其尺寸大小 中斷程度 分散情況等對基體力學(xué)性能的影響 2 不連續(xù)效應(yīng) 界面上引起的物理性質(zhì)的不連續(xù)性和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象 如電阻 介電特性 磁性 耐熱性熱彈性波 尺寸穩(wěn)定性等 3 散射和吸收效應(yīng) 光波 聲波 沖擊波等在界面產(chǎn)生的散射和吸收 如 透光性 隔熱性 隔音性 耐沖擊性等 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 f 4 感應(yīng)效應(yīng) 是應(yīng)變 內(nèi)部應(yīng)力和由此而引起的現(xiàn)象 如彈性的強(qiáng)弱 熱 膨脹性的高低等 以上各種效應(yīng)對復(fù)合材料的性能具有重要的作用 對復(fù)合材料中的界面和 改善界面性能的表面處理方法是很重要的 例如 以金屬為基體的復(fù)合材料中 金屬與各種纖維之間的潤濕和黏結(jié) 高溫反應(yīng)等物理化學(xué)因素就顯得更加重要 界面效應(yīng)與界面的結(jié)合狀態(tài) 形態(tài)以及界砸周圍的結(jié)構(gòu)有關(guān) 界面的結(jié)合強(qiáng)度一般是以分子間力 溶解度指數(shù) 表面張力 表面自 由能 等表示 而實(shí)際上由許多因素影響著界面結(jié)合強(qiáng)度 如表面幾何形狀 表面吸 水情況 表面是否有雜質(zhì)存在等 1 1 3 纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 纖維強(qiáng)化金屬材料主要是靠纖維本身承受主要載荷 在工作過程中 外力可 能同時作用到金屬基體和纖維上 作用到金屬基體上的力 通過金屬剪切應(yīng)變 傳遞到纖維上 結(jié)果外力實(shí)際都作用在纖維上 可見 為了使力由金屬基體傳 遞到纖維上 金屬基體和纖維必須很好地結(jié)合在一起 有足夠的結(jié)合強(qiáng)度 否 則基體與纖維就會滑移 使材料遭受破壞 由此可見 在纖維強(qiáng)化材料中 纖維的主要作用是提高強(qiáng)度 而基體的作用 是 傳遞應(yīng)力 保護(hù)纖維不受表蕊損傷 防止纖維與工作介質(zhì)起熱反應(yīng)或氧化 避免纖維互相接觸 從而維持纖維原來的尺寸 穩(wěn)定纖維的幾何排列 影響強(qiáng)化的主要因素有 f 1 纖維和基體的種類 碳纖維的穩(wěn)定性特別好 提高溫度對它的強(qiáng)度也沒有很大的影響 碳纖維 與銅基體不發(fā)生反應(yīng) 所以碳纖維強(qiáng)化銅將是菲常理想的 2 纖維與基體金屬的結(jié)合強(qiáng)度 3 1 纖維的取向 4 纖維的尺寸與體積 f 5 溫度效應(yīng) 纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的生產(chǎn)方法很多 其中比較通用的幾種生產(chǎn)方法 有 熱壓黏結(jié)法 冷壓燒結(jié)法 液體滲透法 等離子噴涂法 電沉積法 高 能高速成形法 2 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 2 銅基復(fù)合材料研究進(jìn)展 純銅具有高的導(dǎo)電性 導(dǎo)熱性 良好的抗腐蝕能力 而且易于加工 但其 屈服強(qiáng)度較低 現(xiàn)有牌號銅合金的導(dǎo)電性與其強(qiáng)度及高溫性能難以兼顧 不能 全面滿足航天 航空 微電子等高新技術(shù)迅速發(fā)展和更新對其綜合性能的使用 要求 現(xiàn)在對銅及其銅基材料的應(yīng)用一般都要求材料在室溫和高溫下 都能保 持高的導(dǎo)電 導(dǎo)熱性 高的屈服強(qiáng)度 良好的抗變形能力 以及滿意的加工性 能和合理的成本 所以研制高強(qiáng)度高導(dǎo)電銅基材料很有必要 高強(qiáng)度高導(dǎo)電銅基復(fù)合材料是一類具有優(yōu)良綜合性能的新型功能材料 既 具有優(yōu)良的導(dǎo)電性 又具有高的強(qiáng)度和優(yōu)越的高溫性能和減摩性能 是制備高 性能組件和零件的優(yōu)良材料 l j 隨著電子工業(yè)的發(fā)展 尤其7 0 年代末美國s c m 公司開發(fā)了g l i d c o p 系列的a 1 2 0 9 c u 復(fù)合材料以后 英 美等國對該類材料進(jìn) 行了大量的開發(fā)和研制工作 并已進(jìn)入實(shí)用化階段 2 3 1 我國對這類材料研究起 步較晚 到8 0 年代末9 0 年代初 才有天津大學(xué) 中國科學(xué)院金屬所 合肥工 業(yè)大學(xué) 上海交通大學(xué) 武漢鋼鐵公司 哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位進(jìn)行這類材料 的研究 所以結(jié)合我國銅資源的特點(diǎn) 逐步建立我國高性能銅基材料體系 研 究性能優(yōu)異 有我們自己知識產(chǎn)權(quán)的高性能銅基材料 對我們來說具有戰(zhàn)略意 義和現(xiàn)實(shí)意義 1 2 1 銅基復(fù)合材料的強(qiáng)化方式 根據(jù)銅強(qiáng)化原理的不同 銅基材料有不同的強(qiáng)化方式 2 4 如形變強(qiáng)化 固 溶強(qiáng)化 彌散強(qiáng)化 細(xì)晶強(qiáng)化 纖維復(fù)合強(qiáng)化等 開發(fā)銅基材料遇到的首要問題是材料的導(dǎo)電性與強(qiáng)度難以兼顧 一般來說 材料的導(dǎo)電率高則其強(qiáng)度就較低 強(qiáng)度高則導(dǎo)電率就很難提高 強(qiáng)度的提高是 以損失電導(dǎo)率為代價的 對于銅的強(qiáng)化一般有兩種思路 一是1 34 1 引入合金元素 強(qiáng)化銅基體而形成合金 二是 2 6 引入第二相進(jìn)行強(qiáng)化 形成銅基體復(fù)合材料 其設(shè)計原理是根據(jù)材料設(shè)計性能的要求 選用適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)相 一種或多種 在保 持銅基體高導(dǎo)電性的同時 充分發(fā)揮增強(qiáng)相的強(qiáng)化作用及二者的協(xié)同作用 使 得材料的導(dǎo)電性與基體強(qiáng)度達(dá)到良好的匹配 根據(jù)增強(qiáng)相的外形 高強(qiáng)度高導(dǎo) 電銅基復(fù)合材料可分為顆粒彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料和纖維復(fù)合強(qiáng)化銅基復(fù)合材 料兩類 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 顆粒彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料 5 8 是指在銅基體中人為地或通過一定的工藝原 位的生成彌散分布的第二相粒子 第二相粒子阻礙了位錯運(yùn)動 從而提高了材 料的強(qiáng)度 如a 1 2 0 3 c u 復(fù)合材料 t i c c u 復(fù)合材料 z r c c u 復(fù)合材料 t i b 2 c u 復(fù)合材料等 纖維復(fù)合強(qiáng)化銅基復(fù)合材料 9 是指人為地在銅基體中加入定向或非定向纖 維 或通過一定的工藝原位生成均勻相間排列的第二相纖維 纖維使位錯運(yùn)動 阻力增大 從而使金屬復(fù)合體得以強(qiáng)化 如c c u 復(fù)合材料 f e c u 原位形變復(fù) 合材料等 彌散強(qiáng)化銅基材料的軟化點(diǎn)接近基體金屬的熔點(diǎn) 導(dǎo)電率可達(dá)到8 0 9 2 i a c s 圳 是其它方法無法比擬的 顆粒彌散強(qiáng)化可獲得壽命長 可靠性高 的優(yōu)良高強(qiáng)度高導(dǎo)電銅基復(fù)合材料材料 而且彌散強(qiáng)化既能發(fā)揮基體及強(qiáng)化材 料的協(xié)同作用 又具有很大的設(shè)計自由度 導(dǎo)電理論指出 固溶在銅基體中的 原子所引起的銅原子點(diǎn)陣畸變對電子的散射作用較第二相引起的散射作用要強(qiáng) 得多 因此固溶強(qiáng)化會大大降低材料的電導(dǎo)率 而彌散強(qiáng)化不會明顯降低銅基 體的導(dǎo)電性 而且由于強(qiáng)化相的作用 還改替了基體的室溫及高溫性能 所以 顆粒彌散強(qiáng)化成為獲得高強(qiáng)度高電導(dǎo)率銅基復(fù)合材料的主要強(qiáng)化手段 1 2 2 銅基復(fù)合材料的發(fā)展方向 隨著航空 機(jī)電 電子工業(yè)的飛速發(fā)展 不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)︺~基復(fù)合材料 提出了不同的性能要求 1 0 i 如集成電路引線框架材料 電焊接電極材料等要求 銅基復(fù)合材料具有高強(qiáng)度高導(dǎo)屯性能 燃燒室襯套 噴嘴襯等則要求材料具有 高導(dǎo)熱性和高耐熱性 高速打印機(jī)元件 無軌電車及電力機(jī)車導(dǎo)電滑塊 自潤 滑軸承等則要求材料具有高的耐磨減摩性能 因此 根據(jù)銅基復(fù)合材料的設(shè)計 原理 選擇合適的增強(qiáng)體 如 顆粒 晶須 短纖維和長纖維等 制備具有某些 特殊性能的功能材料和 或結(jié)構(gòu)材料是當(dāng)今銅基復(fù)合材料的主要發(fā)展方向 因 此加強(qiáng)復(fù)合理論和復(fù)合工藝的研究 進(jìn)一步提高這類材料的性能 降低生產(chǎn)成 本 完善制備工藝成為此類材料研究的熱點(diǎn) 4 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 3 碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的研究進(jìn)展 1 3 1 碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料概述 碳纖維由二維亂層石墨微晶組成的 微晶沿纖維軸方向擇優(yōu)取向 w a t t 和 j o h n s o n 2 l 是用x 射線和電子衍射研究了p a n 基碳纖維的結(jié)構(gòu) 碳纖維的分類 按習(xí)慣大致有以下3 種方法 1 按制造碳纖維的原料分類 纖維素基 人造絲基 碳纖維 聚丙烯腈 p a n 基碳纖維 瀝青基碳纖維 各向同性 各向異性中間相 2 按照制造條件和方法分類 碳纖維 碳化溫度在8 0 0 1 6 0 0 c 時得到的碳 纖維 石墨纖維 碳化溫度在2 0 0 0 3 0 0 0 c 時得到的碳纖維 活性碳纖維 氣 相生長碳纖維 3 按照力學(xué)性能分類 通用級 g p 抗拉強(qiáng)度低于t 4 g p a 拉伸模量小于 1 4 0 g p a 的纖維 高性能 h p 其中包括中強(qiáng)型 m t 高強(qiáng)型 h t 超高強(qiáng)型 u h t 中模型 i m 高模型 h m 超高模型 u 陽v 0 碳纖維具有高比強(qiáng)度 比模量 耐高溫 在2 0 0 0 2 以上的高溫惰性氣氛中仍 能保持強(qiáng)度的唯一材料 熱膨脹系數(shù)小 尺寸穩(wěn)定性好 耐化學(xué)腐蝕 良好的 潤滑與耐磨損特性 并有導(dǎo)熱和導(dǎo)電性等一系列優(yōu)異的綜合性能 是一種重要 的復(fù)合材料增強(qiáng)體 金屬具有韌性 但是密度較大 所以比彈性模量和比強(qiáng)度 都不大 碳纖維與金屬混合制成的復(fù)合材料兼有二者的優(yōu)點(diǎn) 既有導(dǎo)電性 導(dǎo) 熱性 潤滑性 又有很高機(jī)械強(qiáng)度 具有比 般金屬高的比彈性模量和比強(qiáng)度 另外 它的使用溫度高 可靠性好 所以該復(fù)合材料用途十分廣泛 是目前研 究的熱門課題 這類材料的減磨性能很好 又具有防咬合性能 可用于各種c c u 受電弓滑板 軸承及導(dǎo)電材料 如銅一碳纖維復(fù)合材料 鋁一銅 碳纖維復(fù)合材料 等 其傳統(tǒng)制備工藝是將碳纖維與銅粉 鋁粉 通過機(jī)械混合 用粉末冶金方法制 成所需的復(fù)合材料 如果在銅中加入2 5 的碳纖維 這種碳纖維和銅的復(fù)合材 料 不僅強(qiáng)度和彈性模量得到提高 而且磨損率僅為銅的1 1 0 0 1 3 2 碳纖維 銅復(fù)合材料的研究進(jìn)展 6 0 年代開始了碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的研究 1 卦 主要是將碳纖維切碎后 與銅粉混合 球磨 然后采用冷壓燒結(jié)和熱壓擴(kuò)散燒結(jié)制備碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù) 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 合材料 當(dāng)時用銅鎳合金粉作基體與切碎碳纖維直接混合制成的材料不及單一 基體的強(qiáng)度高 進(jìn)入7 0 年代 為了改善銅基體與碳增強(qiáng)體的潤濕性及界面結(jié)構(gòu) 廣泛開展了碳纖維表面涂層研究 在碳纖維表面分別獲得了單一金屬 雙金屬 基金屬間化合物涂層 同時制備工藝的研究更趨多元化 連續(xù)碳纖維增強(qiáng)銅基 復(fù)合材料得到了發(fā)展 日立公司提供了不少采用料漿法與熱壓相結(jié)合制造碳 銅 復(fù)合材料的專利 大致工藝過程是 把基體粉末 包括銅粉和其它粉末 加入甲基 纖維素水溶液中 攪成料漿 再把涂覆過金屬的碳纖維紗束從料漿中拖過 使 粉末粘附在纖維上 干燥脫水后熱壓成型 a k i t a m u r a 等用粉末冶金方法制出 了碳纖維的體積分?jǐn)?shù)為1 5 5 5 的碳 銅 5 錫 重量比 復(fù)合材料 把鍍銅碳纖維 切短 再與銅粉 錫粉混合均勻 熱壓 復(fù)合材料中碳纖維隨機(jī)分布 并研究 了這種碳 銅材料的摩擦 磨損行為 以及基體中加入碳化物形成元素粉末對復(fù) 合材料抗磨損性能的影響i i 國內(nèi)也陸續(xù)開展了碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的研 究工作 涉及制作工藝 熱物理性能 界面 以及摩擦 磨損等研究方向 7 0 年代末 國內(nèi)有關(guān)科研機(jī)構(gòu)和高等院校相繼展開了碳 銅復(fù)合材料的試驗研究 并取得了重要進(jìn)展 縱觀碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的發(fā)展歷程 其研究工作主 要集中在銅基體與增強(qiáng)體碳纖維間的潤濕性改善 復(fù)合材料的制各工藝 復(fù)合 材料的性能 應(yīng)用等方面 一 銅基體與碳纖維間潤濕性改善研究 碳纖維 銅復(fù)合材料自從問世以來 銅基體與碳增強(qiáng)體的界砸結(jié)合就成為人 們關(guān)注的焦點(diǎn) 希望銅與碳纖維有良好的界面結(jié)合 碳纖維與銅具有良好的化 學(xué)相容性 但二者的潤濕性極差 即使在超過銅熔點(diǎn)的高溫下 二者既不潤濕 也不反應(yīng) 這就使制各的碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的界面只能是機(jī)械互鎖 結(jié) 合強(qiáng)度低 為了制備具有優(yōu)良的綜合性能的復(fù)合材料 關(guān)鍵是改善銅基體與碳 纖維之間的潤濕性 目前改善碳纖維與銅基體之間潤濕性的方法很多 其最有 效的途徑可以歸結(jié)為兩個方頸 就是基體的合金化與碳纖維的表面處理 1 基體的合金化研究 在銅基體中添加適量的合金元素 通過改變基體的化學(xué)成分以降低其表面張 力和潤濕過程中的界面張力 是促進(jìn)銅基體與碳纖維潤濕的有效途徑之一 m i y a s e a 等人在1 2 3 0 c 真空度小于1 3 2 1 0 3 p a 條件下 進(jìn)行了c u 1 0 c r 合金與表面具有碳化鉻涂層的碳纖維浸滲試驗 發(fā)現(xiàn)碳纖維與c u c r 和浸潤并 且具有良好的相容性 認(rèn)為這種潤濕是基體合金與涂層的共同作用 但基體金 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 屬的作用是關(guān)鍵性的 能降低銅的表面張力 改善潤濕性的合金元素多為與碳 的親和力強(qiáng) 易與碳發(fā)生反應(yīng)或與碳互溶的金屬元素 這些元素的加入易于在 界面反應(yīng)形成脆性化合物甚至脆性晃面層 不利于界面結(jié)構(gòu)及碳銅復(fù)合材料性 能的改善 所以說 通過合金元素的加入來改善碳纖維與銅基體之間的潤濕有 利有弊 如果加入量和加入工藝控制不當(dāng) 反而會降低復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng) 度 而且復(fù)合材料的電導(dǎo)率會大大降低 因此 添加合金種類的選擇 合金元 素添加量的確定 及添加工藝的控制是合金化的關(guān)鍵問題 有待深入研究 2 碳纖維的表面處理研究 目前較有成效的纖維表面處理方法是在碳纖維的表面涂覆一層金屬 最常 見的是鍍銅 來改善碳纖維與銅的潤濕性 以提高復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度 碳纖維表面鍍銅的方法很多 常用的有化學(xué)氣相沉積法 化學(xué)鍍和電鍍等方法 1 15 國外對碳纖維鍍銅研究得較早 通常以電鍍或化學(xué)鍍的方式在碳纖維表面 沉積一層銅 主要有如下幾種做法 以純銅為陽極 用電解法對碳纖維鍍銅 但是在實(shí)驗過程中發(fā)現(xiàn)碳纖維束的中間部分不能被鍍上 將碳纖維放在含有 表面活性劑的硫酸鹽電解槽中鍍銅 雖然 黑心 現(xiàn)象有所改善 但無法徹底 解決 采用化學(xué)鍍銅的方式使銅還原并沉積在碳纖維表面 采用了甲醛作還 原劑的酒石酸鹽堿性鍍銅液 可以使用的還原荊有次磷酸鹽 甲醛 胺基硼烷 硼氫化合物 肼 糖等 該方法最大的缺點(diǎn)是溶液不穩(wěn)定 短時間內(nèi)就會失效 需要加入穩(wěn)定荊 另外該方法在化學(xué)鍍銅過程中生成c u 2 0 它無規(guī)則地分散在 溶液中 成為溶液自分解的催化中心 造成溶液不穩(wěn)定 以至于對鍍銅產(chǎn)生不 利的影響 國內(nèi)對碳纖維鍍銅研究起步較晚 近十年陸續(xù)發(fā)表了一些關(guān)于碳纖維鍍銅 的文章 闡述了化學(xué)鍍 電鍍對碳纖維鍍銅的影響 其中有代表性的有 王濟(jì) 國 6 i 提出對碳纖維敏化 活化后再進(jìn)行鍍銅 在非連續(xù)碳纖維表面鍍上了 o 2 5 2 5 微米厚的銅層 但是碳纖維 黑心 問題很嚴(yán)重 庹新林等 1 1 提出先對 碳纖維進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?再對碳纖維進(jìn)行化學(xué)鍍和電鍍的方法 師春生等l 他1 在鍍液中加入檸檬酸鹽和k n o s 來改善鍍液的分散能力和均鍍能力 該法減輕了 黑心 程度 趙曉宏等 l9 采用兩步法對碳纖維鍍銅 即先堿式鍍銅 再酸式 鍍銅 在一定程度上減輕了碳纖維束的 黑心 問題 但是過程煩瑣 并且鍍 銅碳纖維的表面很粗糙 文獻(xiàn)幽研究了化學(xué)鍍和電鍍相結(jié)合的方法對碳纖維表 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 面進(jìn)行涂覆銅處理 結(jié)果表明 碳纖維表明獲得了較厚的均勻 致密的銅鍍層 制備出的試樣 碳纖維與基體結(jié)合良好 從而提高了復(fù)合材料的強(qiáng)度 最近 楊連威等1 2 i 提出了一種新的鍍銅方法 以硫酸銅為主鹽 以鋅粉為還原劑 在 硫酸銅鍍液中加入1 5 的添加劑 十二烷基脂肪酸鹽 乙酸鈉 該法不但解決 了碳纖維鍍銅時經(jīng)常出現(xiàn)的 黑心 問題 而且在常溫下即可迅速進(jìn)行 鍍液 穩(wěn)定 成本低廉 另外鍍層不儀表面光滑 均勻連續(xù) 并且鍍層與碳纖維結(jié)臺 得很緊密 二 碳纖維 銅復(fù)合材料的制各工藝研究 制備碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的工藝很多 大致可分為固相法和液相法兩大 類 固相法主要包括粉末冶金法 熱壓燒結(jié)法 熱壓擴(kuò)散粘接法等 液相法主 要指液相浸滲法 1 傳統(tǒng)的粉末冶金法即冷壓燒結(jié)法 由于具有成型好 零件設(shè)計靈活 易批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn) 一直受到人們的注意 它也是最早用于制各碳 銅復(fù)合材料 的工藝之一 但粉末冶金法制各材料 容易損傷纖維 一般只適用于纖維含量 較低的短碳纖維 銅基復(fù)合材料1 2 2 1 主要用作導(dǎo)電耐磨的功能材料 而非結(jié)構(gòu)材 料 文獻(xiàn) 2 3 l 用該方法制造的短碳纖維 銅復(fù)合材料中 碳纖維與基體建立了界面 結(jié)合 具有較高的熱導(dǎo)率 電導(dǎo)率以及可調(diào)節(jié)的熱膨脹系數(shù) 有希望作為電子 電力半導(dǎo)體器件的支撐電極材料 文獻(xiàn) 2 4 i 研究了用粉末冶金法制備碳纖維 石墨 銅基復(fù)合材料 復(fù)合材料的硬度有顯著的提高 電阻率減小 具有良好的減摩 耐磨性能 可用于電接觸材料等功能材料 2 熱壓燒結(jié)法文獻(xiàn)位s l 使用適當(dāng)?shù)臒釅汗に囍频昧颂祭w維的體積含量v 產(chǎn) 1 0 5 0 的碳 銅 5 錫復(fù)合材料 復(fù)合材料無疏松 孔洞及裂紋 纖維隨機(jī)均 勻的分布 與基體復(fù)合良好 界面結(jié)合適當(dāng) 碳 銅復(fù)合材料在熱壓成形時 由 于銅的塑性流變 有可能出現(xiàn)一整束纖維被擠在一起 而基體銅則偏聚 邊的 現(xiàn)象 特別是在連續(xù)熱軋過程中更嚴(yán)重 熱壓法的缺點(diǎn)是設(shè)備要求高 成本高 生產(chǎn)率低 3 熱壓擴(kuò)散粘接法 主要用于制各連續(xù)碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料 熱壓擴(kuò) 散粘接前碳纖維應(yīng)進(jìn)行充分的表面處理 將鍍銅碳纖維在含有粘接劑的銅粉漿 中拖過 粘足銅粉后再柬集是不錯的辦法 文獻(xiàn)腳采用三步電沉積后熱壓擴(kuò)散 制備碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料 4 液相浸滲法基本過程為 將碳纖維與有機(jī)溶劑結(jié)合做成預(yù)制塊放入模 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 具進(jìn)行預(yù)熱 在真空下或有一定的壓力下將金屬液體倒入模具中 金屬液進(jìn)入 預(yù)制件 有機(jī)物揮發(fā)掉 得到材料 與固相弦相比 液相浸滲法很少因外力作 用對碳纖維造成損傷 但由于潤濕問題 液態(tài)銅基體要浸滲進(jìn)n x1 0 3 根纖維綴 成的束狀纖維中相當(dāng)困難 因此液相浸滲法制備碳 銅復(fù)合材料的工作大多停留 在實(shí)驗室階段 三 碳纖維 銅復(fù)合材料的性能研究 碳纖維 銅復(fù)合材料作為一種新型功能材料 綜合了銅的良好導(dǎo)電導(dǎo)熱性及 碳纖維的減摩耐磨性 廣泛用于導(dǎo)電耐磨工況 因而 它的性能研究主要集中 在導(dǎo)電 導(dǎo)熱及摩擦磨損性能方面 i 導(dǎo)電導(dǎo)熱性能 目前研究較多的是碳纖維含量及排布方式對復(fù)合材料電導(dǎo)率的影響 碳纖 維 銅復(fù)合材料的導(dǎo)電率與碳纖維的關(guān)系因研究者不同而有差別 2 不過總的規(guī) 律表明 無論何種分布方式 導(dǎo)電性能都隨碳纖維含量的增加而下降 同體積 分?jǐn)?shù)的碳纖維 不同的碳纖維分布方式其導(dǎo)電率的規(guī)律為 長碳纖維單向分布 沿纖維方向電導(dǎo)率最高 垂直纖維方向 導(dǎo)電率最低 二者相差數(shù)倍 碳纖維 網(wǎng)狀分布 平行纖維方向不及單向分布縱向電導(dǎo)率高 而垂直方向二者相等 碳纖維渦卷狀分布與單向復(fù)合材料橫行排列類似 二者電導(dǎo)率相差不大 短碳 纖維任意分布的復(fù)合材料 電導(dǎo)率較低 但各向同性性能在某些方面使其成為 優(yōu)選材料 復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能與導(dǎo)電性能有著相似的規(guī)律 熱導(dǎo)率按與碳纖 維平行 成4 5 度角 與纖維垂直的順序逐漸減小 導(dǎo)熱系數(shù)隨工藝不同及碳纖 維分?jǐn)?shù)不同變化較大 2 摩擦磨損性能 由于碳纖維本身具有自潤滑性能和一定的減摩作用 所以碳纖維 銅復(fù)合材 料比純基體摩擦系數(shù)小 磨損降低 碳纖維的加入能提高銅基復(fù)合材料在機(jī)械 干摩擦?xí)r的減摩和耐磨性能 對短碳纖維 銅基復(fù)合材料 碳纖維的含量對復(fù)合 材料的摩擦磨損性能有顯著影響 多數(shù)研究結(jié)果表明 碳纖維 銅復(fù)合材料的摩 擦系數(shù)和磨損率均隨碳纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而單調(diào)減d t 2 8 2 9 1 目前 國內(nèi)外對碳 纖維增強(qiáng)銅復(fù)合材料的摩擦磨損機(jī)理也進(jìn)行了一些研究 研究表明其磨損機(jī)理 為 在磨損初期脫落的主要是銅基體 隨著滑動距離的增加 碳纖維逐漸失去 基體的支撐而粘附于基體和試環(huán)上 形成具有潤滑作用的碳膜 摩擦由金屬 金屬磨損向碳一碳和金屬一碳磨損過渡 由于碳纖維的加入 使材料具有自潤滑性 9 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 因此 隨著復(fù)合材料內(nèi)碳纖維的體積含量的增加 磨損系數(shù)減小 磨損率也下 降 3 0 1 3 3 碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的應(yīng)用 早期的碳纖維 銅復(fù)合材料主要用于抗磨元件方面 如富士通公司首先把碳 纖維 銅復(fù)合材料用于要求質(zhì)輕 抗磨的高速打印元件上 隨著研究的深入 其 應(yīng)用領(lǐng)域正在拓寬 目前碳纖維 銅復(fù)合材料主要用于要求導(dǎo)電耐磨的工況 例 如碳纖維 銅復(fù)合材料可代替電車導(dǎo)電工架上的金屬滑塊和碳滑塊 從而使接觸 電阻減小 可避免過熱現(xiàn)象 同時能增加強(qiáng)度及過載電流 并具有優(yōu)良的潤滑 性 耐磨性等優(yōu)點(diǎn) 碳纖維和銅適當(dāng)復(fù)合 熱膨脹系數(shù)可調(diào) 從而可以代替貴 重金屬鋁 鎢作可控電力半導(dǎo)體支撐電極 或代替銀 銅作集成電路的散熱板 等 曰本在制造和應(yīng)用導(dǎo)電性好 減摩耐磨的碳纖維 銅復(fù)合材料部件方面 獲 得了不少專利 國內(nèi)在應(yīng)用方面也開展了不少工作 碳纖維 銅復(fù)合材料由于綜合了銅的良好導(dǎo)電 導(dǎo)熱性和碳纖維的高比強(qiáng) 度 比模量 低熱膨脹系數(shù)及皂好的潤滑性 從而使該類材料具備良好的傳導(dǎo) 性 減摩耐磨性 耐蝕性 耐電弧燒蝕性和抗熔焊性等一系列優(yōu)點(diǎn) 因而 作 為一種新型功能材料正越來越受到人們的重視 可被應(yīng)用于電子元件材料 滑 動材料 觸頭材料 集成電路散熱板等方面1 3 1 1 如應(yīng)用在電刷 電觸點(diǎn) 高速 打印機(jī)元件 無軌電車及電力機(jī)車導(dǎo)電滑塊 半導(dǎo)體支撐電極 集成電路底板 散熱片 自潤滑軸承等方面 而且這類材料的性能可設(shè)計性好 可以通過控制 碳纖維的種類 含量及分布來獲得不同的性能指標(biāo) 根據(jù)需要 用連續(xù)或非連 續(xù)碳纖維增強(qiáng)銅可以得到各種特殊性能的材料 如連續(xù)碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材 料具有良好的高溫保持率和優(yōu)良的抗蝕往 短碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料作為導(dǎo) 電 導(dǎo)熱以及熱膨脹系數(shù)小 抗磨損的新型功能材料有著巨大的應(yīng)用潛力 該復(fù)合材料推廣應(yīng)用成功的關(guān)鍵在于制造方法的進(jìn)一步完善和成本的降低 目前及今后的研究內(nèi)容應(yīng)主要集中在復(fù)合材料的制備工藝改進(jìn)和性能研究兩方 面 其發(fā)展趨勢具體如下 1 進(jìn)一步改善碳纖維與銅基體間的潤濕性 其中主要是對碳纖維表面鍍銅 工藝的改進(jìn) 目的就是增強(qiáng)碳纖維與銅基體的界面結(jié)合 2 進(jìn)一步完善制備工藝 其中的關(guān)鍵問題是要解決碳纖維在基體中的均勻 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 分布及界面結(jié)合問題 3 對不同種類和含量的碳纖維 銅基復(fù)合材料的物理及力學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng) 研究 指導(dǎo)制造工藝的改進(jìn) 4 針對特定的應(yīng)用條件 進(jìn)行專項性能的測試與開發(fā) 5 在保持材料性能的前提下 盡量降低制造成本 向規(guī)?；较虬l(fā)展 加 強(qiáng)民用開發(fā) 1 4 彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料 1 4 1 彌散強(qiáng)化原理 彌散強(qiáng)化是i r m a r m 于1 9 4 9 年最先在燒結(jié)鋁制品中發(fā)現(xiàn)的l j 顆粒彌散增強(qiáng) 和其它強(qiáng)化方式相比具有強(qiáng)化效果好 對基體的性能影響小 價格便宣等優(yōu)點(diǎn) 顆粒彌散增強(qiáng)復(fù)合材料是由彌散微粒與基體復(fù)合而成的 其強(qiáng)化機(jī)理可用 o r o w a n 機(jī)理 即位錯繞過粒子的理論來解釋p 其強(qiáng)化機(jī)理是在彌散強(qiáng)化材料 中 彌散相是位錯線運(yùn)動的障礙 位錯線需要較大的應(yīng)力才能克服阻礙向前移 動 在越過第二相粒子時 位錯線環(huán)繞第二相粒子發(fā)生彎曲 最后在第二相粒 子周圍留下一個位錯環(huán)而讓位錯通過 位錯線的彎曲將會增加位錯影響區(qū)的強(qiáng) 度 從而使彌散強(qiáng)化材料的強(qiáng)度大大提高 彌散強(qiáng)化材料的強(qiáng)度不但與基體和彌散相的本性有關(guān) 而且決定于彌散相的 含量 大小和分布 形態(tài)以及彌散相與基體的結(jié)合情況 也與成形工藝有關(guān) 一般地 彌散相的含量越高 尺寸越小 分布越彌散 顆粒間距越小 則材料 的強(qiáng)度越高 變形程度越大 材料強(qiáng)度也越高 1 4 2 彌散強(qiáng)化相的選擇 一般來說彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料的性能不但與彌散相的大小 含量 分布形 態(tài)以及彌散相與銅基體的結(jié)合情況有關(guān) 而且與彌散相的本身性質(zhì)有很大的關(guān) 系 所以彌散相的選擇是十分重要的 應(yīng)該就以下幾個方面來考慮 1 高熔點(diǎn) 高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性 彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料要求高溫強(qiáng)度好 所 添加的強(qiáng)化相必須有較高的熔點(diǎn)及高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性 2 相界能低 強(qiáng)化相界能低是彌散質(zhì)點(diǎn)與銅基體結(jié)合良好的必要條件 這 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 是粒子阻礙位錯運(yùn)動所需要的 相反 高界面能就會導(dǎo)致粒子周圍的空洞增多 不僅不能阻礙位錯運(yùn)動 而且可能產(chǎn)生微裂紋 3 1 具有熱力學(xué)穩(wěn)定性和相容性 4 強(qiáng)化相應(yīng)不溶于基體 在基體中擴(kuò)散系數(shù)小 5 要選擇彌散相合適的粒度以及含量 大量的實(shí)踐證明1 3 5 硼 彌散相質(zhì)量含量在1 1 5 的范圍比較適中 當(dāng)含量 一定時 彌散顆粒越細(xì)小 數(shù)量越多 粒子間距越小 復(fù)合材料的強(qiáng)度就越高 目前彌散強(qiáng)化c u 所用的主要陶瓷增強(qiáng)相有t i 3 s i c 2 a 1 2 0 3 t i c v c w c t i b 2 等 但其中大部分陶瓷增強(qiáng)相的較低傳導(dǎo)性能限制了彌散強(qiáng)化c u 傳導(dǎo)性能 的進(jìn)一步提高 t i 3 s i c 2 不僅具有相對較高的彈性模量 熔點(diǎn)和較低的密度 而 且其導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能均高于除t i b 2 以外的陶瓷增強(qiáng)相 此外 t i 3 s i c 2 具有很高 的抗氧化性能 它在氧化環(huán)境中可以穩(wěn)定存在于1 0 0 0 以上 遠(yuǎn)優(yōu)于其它碳化 物 張毅日8 j 等選用具有高導(dǎo)電 高導(dǎo)熱性能的新型陶瓷t i 3 s i c 2 做為彌散強(qiáng)化相 通過與c u 粉末高能球磨混合后 熱壓成一種新型彌散強(qiáng)化c u 材料 研究表明 t i 3 s i c 2 對于c u 是一種有效的陶瓷增強(qiáng)相 由于其具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能 t i 3 s i c 2 彌散強(qiáng)化c u 是一種具有廣闊應(yīng)用前景的新型材料 本課題擬采用的彌散強(qiáng)化相為t i 3 s i c 2 1 4 3 彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料的制備方法 根據(jù)增強(qiáng)顆粒的引入方式 彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料的制備方法可分為外加 增強(qiáng)顆粒法和內(nèi)部自生法兩種 1 外加增強(qiáng)顆粒法p 州是指人為向銅基體中加入第二相顆粒并使其起 到彌散強(qiáng)化的作用 其主要的制備方法有粉末冶金法 復(fù)合鑄造法 熱壓法 機(jī)械合金化法等 外加增強(qiáng)顆粒法加入的顆粒增強(qiáng)相大都是第二相硬質(zhì)點(diǎn) 如 a 1 2 0 s s i c t i c b 4 c 和t i b 2 等1 4 i 4 2 l 顆粒 般比較粗大 因而存在界面結(jié)合 問題 并存在著增強(qiáng)相加入的困難 尤其是微細(xì)粒子的加入并使其在金屬基體內(nèi) 均勻分布 及工藝復(fù)雜 成本昂貴和增強(qiáng)體易偏聚等缺點(diǎn) 2 內(nèi)部自生法 4 別是指往銅中加入一定的合金元素 通過一定的工藝 手段 使銅基材料內(nèi)部原位生成增強(qiáng)相 與銅基體 起構(gòu)成復(fù)合材料 內(nèi)部自 生法制備銅基復(fù)合材料的工藝包含原位生成增強(qiáng)相的的反應(yīng)過程 通過原位反 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 應(yīng) 生成非常細(xì)小 熱力學(xué)穩(wěn)定 并與基體結(jié)合良好的增強(qiáng)體 因此 使生成 的材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能和良好的界面結(jié)合性能 且工藝簡單 無污染 故 己成為很有發(fā)展前途的一種新型材料制備技術(shù) 該法具有工藝簡便 成本低的 特征 并且可制得形狀復(fù)雜和尺寸較大的構(gòu)件 1 5 本課題的研究內(nèi)容及意義 鑒于以上分析 本課題選用短碳纖維和t i 3 s i c 2 作為增強(qiáng)相與銅復(fù)合 試圖 獲得具有自潤滑性能的碳纖維增強(qiáng)c u t i 3 s i c 2 自潤滑復(fù)合材料 并對復(fù)合材料的 制備工藝 組織性能和增強(qiáng)機(jī)理進(jìn)行研究 本課題的研究內(nèi)容如下 1 采用無壓燒結(jié)的方法制備w i 3 s i c 2 陶瓷粉末 2 為改善碳纖維與銅基體的潤濕性問題 對碳纖維表面進(jìn)行電鍍銅處理 3 采用濕混方式進(jìn)行混料 以解決短碳纖維在基體中的均勻分散問題 4 采用熱壓燒結(jié)法和無壓燒結(jié)法制備碳纖維增強(qiáng)c u t i 3 s i c 2 復(fù)合材料 驗 證其可行性 并探討最佳的工藝過程及參數(shù) 5 對制各的復(fù)合材料的性能進(jìn)行測試與分析 6 分析碳纖維增強(qiáng)c u t i 3 s i c 2 自潤滑復(fù)合材料的強(qiáng)韌化機(jī)理 綜上所述 碳纖維 銅復(fù)合材料不僅具有銅的良好導(dǎo)電導(dǎo)熱性能 而且具有 碳纖維的低熱膨脹系數(shù)和良好的潤滑性 在導(dǎo)電耐磨方面有著巨大的開發(fā)潛力 和應(yīng)用前景 在復(fù)合材料中 碳纖維分布方式一般有短纖維任意分布 長纖維 單向分布 長纖維正交分布和長纖維渦卷狀分布四種 與連