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三元层状碳化物Ti2SnC具有优良的机械性能和电性能。因此以Ti2SnC增强Cu有望综合两种材料的优点,在提高Cu强度的同时保持Cu的高导电性能。
本文系统地研究了Cu与Ti2SnC之间的界面反应、Ti2SnC颗粒增强Cu基复合材料和Ti2SnC弥散强化Cu基复合材料的制备及其两种材料的显微结构、机械性能、电性能和摩擦磨损性能。此外利用Cu与Ti2SnC反应将Cu-Ti2SnC复合材料在950℃退火原位制备了碳化钛弥散强化铜基复合材料,并研究其显微结构、机械性能和电性能。
Cu与Ti2SnC之间的反应与温度、时间和Ti2SnC含量密切相关。反应产物为Cu(Sn)固溶体和TiCx。反应路径研究表明,Sn向Cu中的扩散控制了反应的进行。对Ti2SnC晶体结构的分析说明,Sn由Ti2SnC层状晶体中抽出导致了Ti2SnC的分解,此理论分析通过采用TEM(透射电镜)方法对Ti2SnC与TiCx取向关系的研究和界面的构建得到了证实。生成的TiCx与原Ti2SnC晶粒的取向关系为:[011]TiCx//[010]Ti2SnC和(111)TiCx∥(001)Ti2SnC。界面处TiCx的形成显著提高了Cu与Ti2SnC界面处的硬度。生成的反应产物对提高复合材料的机械性能有利,而对材料的电导率不利。
要制备高电导率的Cu-Ti2SnC复合材料应选择相对较低的制备温度。在850℃热压30min制备了Ti2SnC颗粒增强Cu基复合材料。Ti2SnC颗粒的加入减小了铜基体的晶粒尺寸,有效提高了铜基体的硬度和强度。但Ti2SnC含量较高时,增强相颗粒易于团聚从而影响了材料的强度。材料电阻率随Ti2SnC含量增加逐渐增大。Ti2SnC颗粒的添加显著降低了材料的摩擦系数和磨损率。当载荷为30N、相对滑动速度为20m/min时,添加10vol.%的Ti2SnC使Cu的磨损率几乎下降了一个数量级。但进一步提高Ti2SnC含量对材料摩擦磨损性能的提高程度不大。对Ti2SnC含量相同的复合材料,材料摩擦系数随载荷增加和相对滑动速度提高而降低。粘着磨损是造成纯铜质量损失的原因。对Ti2SnC颗粒增强Cu基复合材料,随载荷增大和相对滑动速度增加磨损方式由氧化磨损向粘着磨损转变。
采用球磨混料方法,热压制备了Ti2SnC含量为1~5vol.%的显微结构较细的Ti2SnC弥散强化Cu基复合材料。Ti2SnC颗粒的弥散加入显著提高了材料的室温及高温强度。改变Ti2SnC含量及改变复合材料的显微结构均对材料的室温及高温强度有显著的影响。晶粒的细化、位错增加、基体晶粒协调变形能力的下降及Sn向Cu基体的扩散固溶是材料强度提高的主要原因。材料电阻率随Ti2SnC含量的增加而增加,随Ti2SnC颗粒和Cu晶粒的增大减小。当载荷较大时,材料的磨损率随Ti2SnC含量的增加而降低;载荷较小时,Ti2SnC的加入对材料磨损率影响不大。
利用Ti2SnC分解,将Cu-Ti2SnC复合材料在950℃退火原位制备了碳化钛弥散强化铜基复合材料。制备的复合材料具有较细的铜基体晶粒尺寸、高的硬度和强度。Ti2SnC分解原位生成碳化钛和直接加入含量相近的碳化钛形成的两种铜-碳化钛复合材料,前者比后者有高得多的抗拉强度。