原位自生TiNx颗粒增强Cu基复合材料的制备及性能研究

摘要

针对目前Cu基复合材料应用中高屈服强度高延展性的性能需求，本论文以Ti2AlN陶瓷作为先驱体材料原位制备TiNx颗粒增强Cu基复合材料，并研究了制备该体系材料存在的相关技术和科学问题。本文利用高温下Ti2AlN陶瓷与Cu的反应行为，采用热压烧结法原位制备了TiNx颗粒增强Cu基复合材料，通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)等手段研究了不同工艺下制备的复合材料的相组成及微观结构变化，测试了其力学性能，并初步探讨了复合材料显微结构与性能之间的关系。
　　研究结果表明:
　　(1)在以Ti粉、Al粉和TiN粉为原料粉制备Ti2AlN粉体时，原料粉三者的比例会对Ti2AlN烧结纯度产生一定的影响。在氩气条件下，三者以1∶1∶0.95的比例在15℃/min的升温速率下升温至1450℃后保温0.5h烧结出的Ti2AlN粉体纯度最高。
　　(2)研究Ti2AlN与Cu的反应行为发现，在1150℃，Ti2AlN颗粒分解生成了TiNx颗粒，而Al则进入基体Cu中形成Cu(Al)固溶体，TiNx与Cu(Al)基体形成强结合界面。
　　(3)以Ti2AlN和Cu为原料在1150℃反应烧结制备的TiNx/Cu复合材料，微米尺度的Ti2AlN颗粒分解为亚微米和纳米级TiNx颗粒，较均匀地分布于基体中。当Ti2AlN的体积含量为10％～40％时，复合材料中几乎不存在Ti2AlN，完全分解为TiNx。
　　(4)保温时间和初始体积含量对TiNx/Cu复合材料的显微结构有一定的影响。当Ti2AlN体积含量为30％时，TiNx增强相颗粒的分布会随保温时间的增加而更加均匀地分布在基体内。相同保温时间下，TiNx增强相颗粒随着初始Ti2AlN含量的增加而逐渐增多。
　　(5)热压烧结制备的TiNx/Cu复合材料具有良好的力学性能。对于初始Ti2AlN体积含量为30％的TiNx/Cu复合材料，保温时间从0.5h增加至2h后，其抗压强度和压缩变形率分别从1060MPa和24.93％增加到1332MPa和38.68％;而抗弯强度从630MPa增加到了785MPa。
　　(6)随着初始Ti2AlN体积含量的增加，复合材料的密度降低，电阻率、维氏硬度、压缩屈服强度和断裂韧性增加。当初始Ti2AlN体积含量从10％增加到40％时，TiNx/Cu复合材料的密度从8.25g/cm3减小到7.31 g/cm3，维氏硬度从1.03GPa增加到3.03GPa，压缩屈服强度从150MPa增加到625MPa，断裂韧性由8.08MPa·m1/2增加到15.80MPa·m1/2。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 引言

1．2 铜基复合材料的研究现状

1．2．1 金属基复合材料简介

1．2．2 铜基复合材料简介

1．2．3 铜基复合材料的分类

1．2．4 颗粒增强铜基复合材料的制备方法

1．2．5 颗粒增强铜基复合材料的物理和机械性能

1．3 三元层状陶瓷(MAX相)

1．3．1 三元层状陶瓷(MAX相)材料的简介

1．3．2 Ti2AlN材料的简介

1．3．3 Ti2AlN材料的制备工艺

1．4 MAX陶瓷在增强铜基复合材料的研究现状

1．5 研究目标与内容

1．5．1 研究目标

1．5．2 研究内容

2．1．1 实验原料

2．1．3 TiNx／Cu复合材料的制备

2．2 相组成与显微结构分析

2．2．1 相组成分析

2．2．2 显微结构分析

2．3 性能测试

2．3．1 密度测试

2．3．2 电阻率

2．3．3 硬度测试

2．3．4 压缩性能测试

2．3．5 弯曲强度测试

2．3．6 断裂韧性测试

3 高纯度Ti2AlN粉体的制备及表征

3．1 相组成与显微结构分析

3．1．2 Ti2AlN粉体表征

3．2 本章小结

4 TiNx／Cu复合材料的制备与显微结构表征

4．1 相组成分析

4．2 显微结构分析

4．2．1 保温时间对复合材料显微结构的影响

4．2．2 初始体积含量对复合材料显微结构的影响

4．2．2 TiNx／Cu复合材料中Cu基体的腐蚀结果分析

4．3 本章小结

5 TiNx／Cu复合材料的性能研究

5．1 密度测试与分析

5．2 电阻率

5．3 硬度

5．4 压缩特性

5．5 弯曲特性

5．6 断裂韧性

5．7 本章小结

6 结论

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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