SiC/Cu复合材料界面玻璃相修饰及性能研究

摘要

SiC/Cu 复合材料具有良好的力学、热学及摩擦学性能，并且具有生产成本低廉、制备工艺简单等优点，在航空航天、电接触及电子封装等领域具有非常广泛的应用前景。目前，SiC/Cu 复合材料的性能提高和应用推广主要受限于增强相SiC与基体Cu之间较差的界面润湿性和剧烈的界面反应。因此，改善SiC与Cu 两相间的润湿性、控制界面反应，是提高SiC/Cu 复合材料综合性能的关键。 本文通过引入 50SiO2-20B2O3-30Na2O(wt.%)玻璃相改善增强相 SiC 颗粒与Cu基体之间的润湿性并控制两相间的界面反应，进而提高SiC/Cu复合材料的性能。采用包裹法和机械混合法制备了SiC/Cu复合粉体，采用真空热压烧结工艺成功制备了不同界面结构的SiC/Cu复合材料，并通过在玻璃相包裹SiC颗粒的过程中引入石墨，进行界面修饰。通过XRD、SEM-EDS和其它检测手段对SiC/Cu复合材料的物相组成、微观结构、致密度、抗弯强度、维氏硬度、热膨胀系数、热扩散系数及摩擦系数等进行表征分析，研究了玻璃相含量对SiC/Cu复合材料的致密度、力学及热学性能的影响，并探究了玻璃相和石墨含量对SiC/Cu复合材料的摩擦磨损性能的影响。研究结果表明： 界面玻璃相的引入，改善了SiC和Cu之间的界面结合状态，提高了SiC/Cu复合材料的致密化程度，降低了复合材料的致密化烧结温度，提高了复合材料的综合性能。在相同的烧结温度下，随着玻璃相含量的增加，SiC/Cu 复合材料的致密度和抗弯强度均增加，其热膨胀系数先增加后降低；玻璃相的引入对复合材料的硬度影响不大。当烧结温度为850℃、玻璃相含量为9 vol.%时，SiC/Cu复合材料的综合性能达到最优值，其相对密度、抗弯强度、硬度和热扩散系数(室温下)分别为99.17%、318.67 MPa、1.46 GPa和58.23mm2/s，热膨胀系数最低且在较宽温度范围内变化比较平稳。 在玻璃相包裹 SiC 颗粒的过程中引入石墨，进行界面修饰，可以显著改善SiC/GP(Gr)/Cu复合材料的性能。当烧结温度为850℃、玻璃相含量为9 vol.%时，SiC/GP(Gr)/Cu复合材料的最佳石墨含量为0.9 vol.%，此时，复合材料的相对密度、抗弯强度、硬度和热扩散系数分别为99.59%、343.33 MPa、1.45 GPa和57.89 mm2/s；相比未添加石墨时，SiC/GP(Gr)/Cu 复合材料的热膨胀系数和摩擦系数均得到明显的改善，其热膨胀系数有所降低，平均摩擦系数由0.51降低为0.27；结合摩擦性能和微观结构分析，该复合材料的磨损机制主要为磨粒磨损。

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