馬會(huì)中，馮圣堯，陳梓軒

(鄭州大學(xué) 力學(xué)與安全工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

銅是與人類關(guān)系非常密切的有色金屬，被廣泛地應(yīng)用于電氣、輕工、機(jī)械制造、建筑工業(yè)、國防工業(yè)等領(lǐng)域，在中國有色金屬材料的消耗量中僅次于鋁。銅具有很好的延展性，并且導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能較好[1]。

碳化硅由于化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好，用以制成的高級耐火材料，耐熱震、體積小、重量輕而強(qiáng)度高，節(jié)能效果好。碳化硅的硬度很大,莫氏硬度為9.5級，僅次于世界上最硬的金剛石和立方氮化硼(10級)，具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，是一種半導(dǎo)體，高溫時(shí)能抗氧化。因其3.2 g/cm3的密度及較高的升華溫度(約2700 °C)，在任何已能達(dá)到的壓力下，它都不會(huì)熔化，且具有相當(dāng)?shù)偷幕瘜W(xué)活性。由于其高熱導(dǎo)性、高崩潰電場強(qiáng)度及高最大電流密度，在半導(dǎo)體高功率元件的應(yīng)用上，具有廣泛的應(yīng)用前景[2]。

彌散顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有強(qiáng)度高、耐疲勞等性能優(yōu)點(diǎn)[3-5]。放電等離子燒結(jié)法具有加熱均勻、升溫速度快、燒結(jié)溫度低、燒結(jié)時(shí)間短、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品組織細(xì)密均勻、可保持原料的自然狀態(tài)、可燒結(jié)制備梯度材料以及復(fù)雜工件等優(yōu)點(diǎn)[6]。本文選用銅-碳化硅復(fù)合材料作為研究對象，以碳化硅增強(qiáng)銅基體，預(yù)期將該復(fù)合材料應(yīng)用于車載發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

基體材料選擇高純電解銅粉(純度99.9%)，增強(qiáng)體選用碳化硅粉(純度99.9%)。將銅和碳化硅分別按照99%和1%，97%和3%，95%和5%，93%和7%，91%和9%的配比置于行星式球磨機(jī)中干磨2 h，使粉料混合均勻。后將混合均勻的原料粉末置于圓柱模具內(nèi)進(jìn)行放電等離子燒結(jié)。以制得不同含量的復(fù)合材料樣品。燒結(jié)溫度為900℃。燒結(jié)時(shí)間為5 min保溫，燒結(jié)壓力為30 MPa。燒結(jié)樣品的直徑為30 mm。將制備所得樣品用掃描電鏡(Scanning Electron Microscope，以下簡稱SEM)進(jìn)行形貌觀察。再用HV-5 小載荷維氏硬度儀測量復(fù)合材料的維氏硬度，測試載荷為1N，加載10 s，每個(gè)樣品測試4個(gè)點(diǎn)以上取其平均值。采用旋轉(zhuǎn)摩擦實(shí)驗(yàn)來測量摩擦磨損硬度，摩擦載荷為5N，旋轉(zhuǎn)速度為200 r/min，單樣測試時(shí)間為30 min。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 微觀組織

不同含量Cu/SiC復(fù)合材料的SEM微觀表面形貌圖像如圖所示。從圖1可以看出，Cu/SiC復(fù)合材料中，SiC顆粒整體分布都較均勻，說明高能球磨能夠有效改善增強(qiáng)顆粒在基體中的均勻分布，燒結(jié)樣品質(zhì)量較好。隨著SiC顆粒含量增加，顆粒在樣品中分布更為均勻，團(tuán)聚現(xiàn)象明顯減少增強(qiáng)效果明顯。但當(dāng)SiC顆粒含量提升至9%時(shí)，可以看出SiC顆粒之間形成了紋路狀結(jié)構(gòu)。SiC屬于空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)原子晶體，C與Si原子都與多個(gè)原子相結(jié)合。紋路狀結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)說明較高SiC含量下SiC的原本結(jié)構(gòu)受到一定的破壞，生成了新的C-C和Si-Si鍵。此時(shí)SiC的含量增加，但結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致增強(qiáng)效果減弱。

圖1 不同含量的Cu/SiC復(fù)合材料的微觀形貌Fig.1 Micro morphology of Cu/SiC composites with different contents(a)純銅；(b)1%SiC；(c)3%SiC；(d)5%SiC；(e)7%SiC；(f)9%SiC；

2.2 性能

表1為不同含量的Cu/SiC復(fù)合材料硬度。從表中可以看出，SiC顆粒的添加能大幅提高復(fù)合材料的硬度。這是由于SiC的高硬度極大強(qiáng)化了復(fù)合材料。隨著SiC顆粒含量增加，復(fù)合材料硬度迅速提高，當(dāng)SiC顆粒含量由1%提升至5%時(shí)，復(fù)合材料硬度升高幅度較小。這是因?yàn)楫?dāng)SiC顆粒含量達(dá)到5%時(shí)，SiC顆粒與銅基體的結(jié)合程度較好，致密度較高，表現(xiàn)為穩(wěn)定的硬度值。隨著SiC顆粒含量繼續(xù)增加，Cu/SiC復(fù)合材料硬度繼續(xù)提高，且變化幅度較大。同時(shí)致密度下降。

表1 不同含量的Cu/SiC復(fù)合材料的硬度Table 1 Hardness of Cu/SiC composites with different contents

從中可以看出，當(dāng)SiC顆粒含量偏少時(shí)，增加SiC顆粒含量可在球磨期間形成較多的細(xì)小SiC顆粒，可提高復(fù)合材料的致密度。而進(jìn)一步提高SiC含量時(shí)，會(huì)出現(xiàn)大量SiC顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致復(fù)合材料致密度反而下降。

下圖為不同含量的銅-碳化硅復(fù)合材料的摩擦系數(shù)曲線，在碳化硅含量為7%時(shí)，摩擦系數(shù)最低。碳化硅含量超過7%時(shí)，與純銅和碳化硅的摩擦系數(shù)相比，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)出現(xiàn)顯著增大。該現(xiàn)象說明該含量下，復(fù)合材料的自潤滑性降低。

圖2 不同含量的SiC/Cu復(fù)合材料的摩擦系數(shù)變化圖Fig.2 Variation diagram of friction coefficient of SiC/Cu composites with different contents(a)純銅；(b)1%SiC；(c)3%SiC；(d)5%SiC；(e)7%SiC；(f)9%SiC

表2 不同含量的Cu/SiC復(fù)合材料的摩擦系數(shù)Table 2 Friction coefficient of Cu/SiC composites with different content

結(jié)合圖表可以看出，相比于純銅，含少量SiC的復(fù)合材料樣品表現(xiàn)出較高的摩擦系數(shù)，說明此時(shí)界面結(jié)合較差，致密度較低。隨著SiC含量增加至7%，SiC粉末更加廣泛地分布在銅基體中，產(chǎn)生更加優(yōu)良的致密度與耐磨性能。當(dāng)SiC含量增加至9%，摩擦系數(shù)出現(xiàn)顯著提升。說明了此時(shí)SiC含量過高，樣品潤滑性能下降。

3 結(jié)論

采用放電等離子燒結(jié)工藝制備了不同含量的SiC增強(qiáng)SiC/Cu 復(fù)合材料，觀測了復(fù)合材料的組織性能，研究了SiC顆粒含量對復(fù)合材料組織性能的影響，得到如下結(jié)論：

(1)高能球磨能促進(jìn)增強(qiáng)顆粒的均勻分布，減少團(tuán)聚現(xiàn)象的發(fā)生。放電等離子燒結(jié)具有燒結(jié)溫度低、保溫時(shí)間短的特點(diǎn)，可有效減少甚至避免基體與增強(qiáng)體有害反應(yīng)的發(fā)生。燒結(jié)樣品中增強(qiáng)體分布均勻，增強(qiáng)效果明顯。

(2)當(dāng)SiC顆粒含量較低時(shí)，隨著SiC顆粒含量增加，顆粒分布更加廣泛，且團(tuán)聚現(xiàn)象減少，復(fù)合材料致密度提高，復(fù)合材料硬度與耐磨性均提高。當(dāng)SiC顆粒含量超過7%時(shí)，SiC結(jié)構(gòu)發(fā)生變異，原子間結(jié)合變?nèi)?，?dǎo)致增強(qiáng)效果降低，潤滑性下降。