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        放電等離子燒結(jié)制備Cu/SiC復(fù)合材料及組織性能研究

        2021-12-14 05:36:44馬會(huì)中馮圣堯陳梓軒
        超硬材料工程 2021年4期
        關(guān)鍵詞:碳化硅摩擦系數(shù)等離子

        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(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域,在中國(guó)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(jí)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(jí),僅次于世界上最硬的金剛石和立方氮化硼(10級(jí)),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(chǎng)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(duì)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(jiǎn)稱SEM)進(jìn)行形貌觀察。再用HV-5 小載荷維氏硬度儀測(cè)量復(fù)合材料的維氏硬度,測(cè)試載荷為1N,加載10 s,每個(gè)樣品測(cè)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(lái)測(cè)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(cè)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(shuō)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(shuō)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(guò)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(shuō)明該含量下,復(fù)合材料的自潤(rùn)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(shuō)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(shuō)明了此時(shí)SiC含量過(guò)高,樣品潤(rùn)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(cè)了復(fù)合材料的組織性能,研究了SiC顆粒含量對(duì)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(guò)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(rùn)滑性下降。

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