W-SiCp/Cu复合材料的热压烧结制备及其性能研究

摘要

Cu具有导热性和导电性能好的优点；SiC具有低热膨胀系数、高弹性模量、低密度等优点；W的熔点高、密度大、热膨胀系数低、强度高，新型的W-SiCp/Cu复合材料可以结合三者的优点，而具有积极的意义和广阔的前景。目前存在SiC-Cu、W-Cu二元复合材料的大量报道，而W-SiCp/Cu三元复合材料鲜有报道。W-SiCp/Cu复合材料结合了W、Cu、SiC三者的优点，具有低热膨胀系数、低成本、高硬度、高强度、良好地导电性、导热性及优良的耐磨性等性能，是极具潜力的新型三元体系复合材料。本文主要目的是探索和研究W-SiCp/Cu三元复合材料的制备、结构及性能，具体采用真空热压烧结的方法制备获得不同W含量（0 vol.％、20 vol.％、30 vol.％、40 vol.％、60vol.％）的W-SiCp/40vol.％Cu复合材料，通过研究不同烧结温度、压力及保温时间等影响因素对W-Cu-SiC复合材料致密化、物相（XRD）及微观结构（SEM、EPMA）的影响。
　　研究发现不同的烧结温度、压力及时间对材料的致密度及密度有影响，结合EPMA结果分析发现温度过高时会造成SiC颗粒的溶解Si元素向Cu相中发生扩散，不利于复合材料的制备。结合SEM图谱表明烧结温度、压力及时间对孔隙的减小和烧结的进行有促进作用，当烧结温度950℃，烧结压力为100MPa，保温时间2h时复合材料内部结构紧密，无明显孔洞存在，W、SiC在Cu中分散均匀，复合材料完全烧结致密。
　　W-SiCp/Cu复合材料的致密化机制为烧结温度、压力及保温时间提供致密化动力，促进Cu的塑性变形及流动，填充缝隙，使烧结更为充分，这决定了复合材料的断裂方式为SiC与Cu、W与Cu的沿晶断裂及Cu相的韧性断裂，另外存在少量W颗粒的穿晶断裂。
　　结合最佳烧结工艺烧结获得致密的不同W含量W-SiCp/Cu复合材料，同时研究探讨W含量的变化对W-SiCp/Cu复合材料致密度、组织结构、物相等影响，最佳烧结工艺条件制备的W-SiCp/Cu复合材料最高致密度可达99.3％，W含量越高材料致密度越高，这主要由于W-Cu润湿性较SiC-Cu更优异且更易烧结，对复合材料的物相无明显影响。W含量越高复合材料的微观结构更为紧密，无明显孔洞存在，由于SiC与Cu界面结合力差，低W含量的复合材料存在少量SiC与Cu界面小缝隙及SiC颗粒破损现象。
　　通过表征测试W-SiCp/Cu复合材料的结构及性能，建立W含量与W-SiCp/Cu复合材料的性能之间的关系。随着 W含量的增大，复合材料的抗弯强度由130MPa增大到476MPa，维氏硬度在227HV-282HV范围内变动。复合材料的体积声速为3.575-4.259km/s，与混合物模型预测值接近，并且有相同变化规律，可采用模型预测复合材料的体积声速。40-200℃温度范围内不同 W含量的W-SiCp/Cu复合材料的热膨胀系数为9.3-10.6×10-6K-1，W-SiCp/Cu复合材料的热膨胀系数随温度变化有相同的变化规律及相近的数值。热导率由99 W/mK增大到212 W/mK，这些力学及热学性能的研究为W-SiCp/Cu三元复合材料的研究及应用提供参考。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 SiC-Cu复合材料的研究概况

1.3 W-Cu复合材料的研究概况

1.4 课题的研究意义和内容

第2章 实验与测试表征

2.1 实验原料

2.2 实验设计及技术路线

2.3 主要测试表征方法

第3章 W-SiCp/Cu复合材料热压烧结致密化研究

3.1 引言

3.2 W-SiCp/Cu复合材料热压烧结致密化

3.3 W-SiCp/Cu复合材料的物相分析

3.4 W-SiCp/Cu复合材料的微观结构

3.5 W-SiCp/Cu复合材料EPMA分析

3.6 W-SiCp/Cu复合材料的热压烧结致密机制

3.7 小结

第4章 W-SiCp/Cu复合材料的性能研究

4.1 引言

4.2 W-SiCp/Cu复合材料的物相与微观结构

4.3 W-SiCp/Cu复合材料的抗弯强度

4.4 W-SiCp/Cu复合材料的硬度

4.5 W-SiCp/Cu复合材料的杨氏模量及剪切模量

4.6 W-SiCp/Cu复合材料的体积声速

4.7 W-SiCp/Cu复合材料的热膨胀系数

4.8 W-SiCp/Cu复合材料的热导率

4.9 本章小结

第5章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及申请专利情况

致谢