原位化学法制备纳米ZrO/Cu复合材料的研究

摘要

颗粒增强铜基复合材料具有高的比强度、比模量、良好的导电性能和高温性能等，在电阻焊电极、引线框架和电接触材料等需要高强度、高导电的工业领域中具有广泛的应用前景。但是传统的粉末冶金、铸造等工艺很难克服纳米颗粒浸润性不良和分散性不均的问题。本文采用原位化学方法制备了纳米ZrO2-Cu复合粉末，并用粉末冶金制备了ZrO2/Cu复合材料。 通过原位化学工艺制备了纳米ZrO2含量为0～8wt％的ZrO2-Cu复合粉末，研究了反应物浓度、煅烧温度、还原温度、时间等化学工艺参数对复合粉末、复合材料性能与微观结构的影响，分析了3mol％Y2O3的加入对形成的ZrO2晶体结构以及复合材料微观结构和性能的影响。结果表明：稳定剂Y2O3的加入有助于细化铜基体晶粒，提高复合材料的硬度、电导率等综合物理性能；当ZrOCl2浓度0.1mol/L、氨水浓度0.5mol/L，煅烧温度500℃，还原温度650℃，还原时间45min时，制备的纳米ZrO2颗粒的尺寸小，在基体铜粉中呈弥散分布，且复合粉的粒径均匀、团聚小，纳米ZrO2/Cu复合材料的综合性能最佳。 采用粉末冶金工艺对原位化学法制备的ZrO2-Cu复合粉末进行冷压-烧结后制备了ZrO2/Cu复合材料。研究了初压压力、烧结温度、时间和复压压力对复合材料微观结构、性能的影响，获得了优化的粉末冶金工艺参数。同时，研究了纳米ZrO2含量对复合材料性能的影响。结果表明：纳米ZrO2颗粒的加入能够提高复合材料的抗拉强度、硬度，但是会使电导率有所下降。复合材料的抗软化性能随着纳米ZrO2含量的增加而显著提高。 采用透射电子显微镜和扫描电子显微镜分析了纳米ZrO2/Cu复合材料的微观组织和界面特征；利用ANSYS软件建立了不同ZrO2晶型下应力分布的模型，并研究了晶型对复合材料力学性能的影响；探讨了细晶强化和弥散强化这两种主要的强化机制在纳米ZrO2/Cu复合材料中的强化作用。结果表明：纳米ZrO2/Cu复合材料组织致密、晶粒细小，ZrO2颗粒均匀地分布在基体中。随着纳米ZrO2颗粒含量的增加，复合材料缺陷增加。ZrO2颗粒在Cu基体中呈现单斜、四方两种晶体结构。单斜晶型ZrO2颗粒与铜基体之间是界面清晰、无界面反应产物的直接结合型界面；四方结构ZrO2与铜基体之间的界面类型为直接结合型和溶解扩散型界面。单斜结构ZrO2尖端界面处的应力远远大于四方结构界面处产生的应力，因此，在单斜结构ZrO2尖端处更容易产生内裂纹。纳米ZrO2/Cu复合材料的主要强化机制是细晶强化和弥散强化，其中细晶强化对复合材料强度增量占总强度增量的67.43％；弥散强化对复合材料的强度增量占总强度增量的11.73％。 采用销-盘式摩擦方法对纳米ZrO2/Cu复合材料的摩擦磨损性能进行了研究，分析了不同载荷、转速、转数和介质对复合材料摩擦磨损性能的影响。结果表明：随着纳米ZrO2颗粒含量的增加，复合材料耐磨损性能逐渐增强。随着载荷、转速和摩擦转数的增加，复合材料的磨损量逐渐增加，而摩擦系数则以不同形式增加，这主要是由于磨损过程中主要磨损机制不同造成的。纳米ZrO2/Cu复合材料主要磨损机理的转变过程是：氧化磨损→氧化磨损+粘着磨损→粘着磨损+氧化磨损+剥层磨损→粘着磨损+剥层磨损。当主要磨损机制为氧化磨损或粘着磨损时，纳米颗粒增强相有利于提高复合材料的耐磨性；而当剥层磨损或颗粒破裂导致的三体磨粒磨损为主要机制时，纳米颗粒团聚、孔洞、疏松等缺陷则会降低复合材料的耐磨性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪言

1.1国内外铜基复合材料的研究与应用现状

1.2常用增强相颗粒的种类、特征及ZrO2颗粒的性能及应用

1.2.1常用增强相颗粒的种类、特征

1.2.2 ZrO2颗粒的性能及应用

1.2.3纳米ZrO2特性及其在金属基复合材料中的应用

1.3颗粒增强铜基复合材料的制备技术

1.3.1粉末冶金法

1.3.2机械合金化法

1.3.3原位反应合成法

1.3.4颗粒表面化学包覆法

1.3.5铸造法

1.4颗粒增强铜基复合材料的物理和力学性能

1.4.1物理性能

1.4.2力学性能

1.5铜基复合材料界面结构特征及细观力学计算

1.5.1铜基复合材料界面结构特征

1.5.2复合材料细观力学计算

1.6颗粒增强金属基复合材料的滑动摩擦磨损的研究进展

1.6.1复合材料摩擦磨损的基础理论

1.6.2影响金属基复合材料摩擦磨损性能的因素及其应用现状

1.6.3磨损机理

1.7本研究工作内容及意义

第二章复合材料制备和实验研究方法

2.1试验原料和材料制备工艺

2.1.1试验原材料

2.1.2材料制备工艺

2.2试验方法与试验设备

2.2.1材料制备用试验设备

2.2.2材料性能测试设备与测试方法

2.2.3成份与微观结构的分析方法与设备

第三章化学工艺参数对纳米ZrO2-Cu复合粉末及其复合材料组织和性能的影响

3.1反应物浓度对ZrO2-Cu复合粉、复合材料组织和性能的影响

3.1.1原位化学工艺制备的复合粉末分析

3.1.2反应物浓度对复合材料组织与性能的影响

3.2煅烧温度对纳米ZrO2、复合材料组织及性能的影响

3.2.1煅烧温度对ZrO2相结构和形貌的影响

3.2.2煅烧温度对纳米ZrO2/Cu复合材料显微结构和性能的影响

3.3还原工艺参数对ZrO2-Cu复合粉和复合材料组织性能的影响

3.3.1还原工艺参数对3％ZrO2-Cu复合粉末的影响

3.3.2不同还原工艺参数对3％ZrO2/Cu复合材料组织与性能的影响

3.4纳米ZrO2在铜粉中的分散性

3.5 Y2O3的加入对ZrO2相结构、复合材料微观结构及性能的影响

3.5.1 Y2O3的加入对ZrO2相结构的影响

3.5.2 Y2O3的加入对复合材料微观结构的影响

3.5.3 ZrO2的相结构对复合材料性能的影响

3.6小结

第四章纳米ZrO2/Cu复合材料的制备及其性能的研究

4.1纳米ZrO2/Cu复合材料粉末冶金工艺参数的优化

4.1.1初压压力的确定

4.1.2烧结工艺参数的优化

4.1.3复压压力对复合材料性能与微观结构的影响

4.2纳米ZrO2/Cu复合材料性能的研究

4.2.1密度、电导率

4.2.2硬度、抗拉强度

4.2.3高温抗软化性能

4.3纳米ZrO2颗粒弥散分布对ZrO2/Cu复合材料的影响

4.4小结

第五章纳米ZrO2/Cu复合材料显微结构与界面

5.1纳米ZrO2/Cu复合材料的微观组织结构与位错组态

5.1.1纳米ZrO2/Cu复合材料的微观组织结构

5.1.2颗粒与位错的相互作用

5.2纳米ZrO2/Cu复合材料的界面特征

5.2.1纳米3％ZrO2/Cu复合材料的界面

5.2.2纳米8％ZrO2/Cu复合材料界面特征

5.3 ZrOz/Cu复合材料界面应力场的有限元模拟

5.3.1有限元模型建立的条件

5.3.2有限元模型的建立

5.3.3计算结果的分析

5.4 ZrO2/Cu复合材料的断裂特征

5.5纳米ZrO2/Cu复合材料的强化机制的探讨

5.5.1细晶强化

5.5.2弥散强化

5.6小结

第六章纳米ZrO2/Cu复合材料摩擦磨损行为的研究

6.1 ZrO2/Cu复合材料的磨损性能

6.1.1 ZrO2含量对复合材料摩擦磨损性能的影响

6.1.2 ZrO2含量对复合材料摩擦磨损形貌的影响

6.2不同磨损条件下复合材料的摩擦磨损性能

6.2.1不同载荷下的摩擦磨损性能

6.2.2不同转速下的摩擦磨损性能

6.2.3不同转数下的摩擦磨损性能

6.2.4以油为介质时复合材料的摩擦磨损性能

6.3磨屑微观结构及形成过程的研究

6.3.1磨屑微观结构分析

6.3.2磨屑形成过程的分析

6.4纳米ZrO2/Cu复合材料摩擦磨损机制的探讨

6.5小结

第七章主要结论和创新点

7.1主要结论

7.2本文的创新点

参考文献

攻读博士期间发表的学术论文和科研情况

致 谢