（材料学专业论文）cu基电触头材料的制备及性能研究.pdf

碗 学位论史摘要 摘要 我国足一个银资源缺乏的国家，并且银价格昂贵，冈此节银成为现阶 段电触头材料研究发展的一个重要趋势。c u 具有与a g 相当的力学和电学 性能，因此本实验以c u 取代a g 尝试制备无银c u 基电触头材料以期能达 到a g 基触头材料的性能，从而实现节银的目的。 采用真空烧结和氮气气氛保护烧结成功制备了c u - z n o t l 0 1 复合材料，测 定其密度、硬度、抗弯强度及电阻率，并采用s e m 、金相显微分析技术对 材料进行显微组织分析。将所制得的c u z n o f m 复合材料的性能与银氧化物 触头材料进行对比。实验结果表明：在氮气气氛下9 6 0 烧结时，烧结进程 不彻底，z n o 相在基体c u 内形成了网络分布，导致其所制备试样的抗弯强 度低于真空气氛烧结试样的；所制备的c u - z n o ( 1 0 ) 材料中，c u 和z n o 两相 问存在明显的界面，产生相互扩散，且两相结合良好；在真空气氛下9 6 0 烧结( 保温时间l h ) 的c u - z n o o o ) 复合材料的综合性能最好，是制备 c u z n o ( 1 0 l 复合材料的较好工艺，所制得的c u - z n o ( 1 0 ) 相对密度大于9 8 ， 电阻率小于2 7 0 z q c m ，布氏硬度大于6 7 ，与银氧化物触头材料的物理性 能相当。 采用粉末烧结法和真空熔渗法制各了c u c r 5 。触头材料，并研究了不同 的添加元素对真空熔渗法制备的c u c r 5 0 触头材料的性能影响，测定其密度、 硬度、抗弯强度及电阻率，并采用s e m 、金相显微分析技术对材料进行显 微组织分析，试验结果表明：相比于粉末烧结法，真空熔渗更有利于材料的 致密化，降低材料的电阻率；f e 、c o 和n i 的加入有助于改善c u 和c r 的 润湿性，促进熔渗的进行，有助于材料组织的均匀化分布，提高了材料的 密度、硬度和抗弯强度，但是f e 、c o 和n i 的加入也会导致c u 产生晶格畸 变，增大电子受散射的几率，导致材料电阻率增大。 关键词c u z n o ，c u c r 5 0 ，触头材料，真空熔渗法，粉末烧结法 硕p 学 芑论文 a b s t r a c t c h i n ai sl a c ko fs i l v e rr e s o u r c e s ，w h i c hi sv e r ye x p e n s i v e o nt h es t a g e ，t h e d e v e l o p m e n tt r e n do fc o n t a c tm a t e r i a li st os a v eo ns i l v e r t h em e c h a n i c a l p r o p e r t ya n d e l e c t r i c sp r o p e r t yo fc o p p e ri sc l o s et ot h a to fs i l v e r t h e r e f o r e c um a t r i xc o n t a c tm a t e r i a li sp r e p a r e d ，w h i c hi se x p e c t e dt o g e tc l o s et ot h e p h y s i c a lp r o p e r t i e so f s i l v e rc o n t a c tm a t e r i a l c u - z n o ( 1 0 c o m p o s i t em a t e r i a l sw e r es u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e db yv a c u u n l s i n t e r i n ga n dn 2 - p r o t e c t i n gs i n t e r i n g t h ed e n s i t y , h a r d n e s s ，b e n d i n gs t r e n g t h a n dr e s i s t i v i t yo ft h e c u z n o ( 1 0 ) m a t e r i a l s w e f t e s t e d m e a n w h i l e t h e c o m p o n e n ta n dm i c r o s t r u e t u r ea n a l y s i s w e r ea l s oe x a m i n e db ys e ma n d m e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i st e c h n o l o g y f u r t h e r m o r e ，t h ep r o p e r t i e so fc u - z n o o o ) a n ds i l v e r - o x i d ec o n t a c tm a t e r i a l sw e r ec o m p a r e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a tt h eb e n d i n gs t r e n g t ho fs a m p l e ss i n t e r e di nn 2a t m o s p h e r ei sl o w e r t h a nt h a to fs a m p l e ss i n t e r e di nv a c u u ma t m o s p h e r e b e c a u s es i n t e r i n gp r o c e s s w a sn o tc o m p l e t ea t9 6 0 i nn 2a t m o s p h e r e ，z n od i s t r i b u t e sm e s h y l yi nc u m a t r i x 。t h e r ee x i s t so b v i o u si n t e r f a c eb e t w e e nt o wp h a s e so fc ua n dz n o a n d t h et w op h a s e sd i f f u s e di ne a c ho t h e r m o r e o v e r , s i n t e r i n gi nv a c u u m a t m o s p h e r ea n dh e a tp r e s e r v i n gf o r1 h o u rw e r et h ep r e f e r a b l et e c h n i c st o p r e p a r ec u - z n o o o ) m a t e r i a l s u c hc u z n o o o ) m a t e r i a lh a st h eb e s ti n t e g r a t i v e p r o p e r t i e s ：t h et w op h a s e so fc ua n dz n oc o m b i n ef i r m l y ；i t sr e l a t i v ed e n s i t yi s o v e r9 8 ；i t sr e s i s t i v i t yi sb e l o w2 7 0 z q c 朋，a n dt h er i g i d i t yi so v e r6 7 a l t o g e t h e r , i t sp h y s i c a lp r o p e r t i e sw e r ec l o s et ot h a to fs i l v e r - o x i d em a t e r i a l c u c r s oc o n t a c tm a t e r i a l sw e r es u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e db yp o w d e rs i n t e r i n g a n dv a c u u ml i n f i l t r a t i o n t h ed e n s i t y , h a r d n e s s ，b e n d i n gs t r e n g t ha n dr e s i s t i v i t y o ft h ec u c r s om a t e r i a l sw e r et e s t e d m e a n w h i l e , t h e c o m p o n e n t a n d m i c r o s t r u c t u r e a n a l y s i s w e r ea l s oe x a m i n e db ys e ma n dm e t a l l o g r a p h i c a n a l y s i st e c h n o l o g y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ：s a m p l ep r e p a r e db y v a c u u m1 i n f i l t r a t i o ni sc o m p a c t e rt h a nt h a to fp o w d e rs i n t e r i n g ，s os at og a i n l o w e rr e s i s t i v i t y ；t h ea d d i t i o no fi r o n ，c o b a l ta n dn i c k e lc o u l di m p r o v e w e t t a b i l i t yo fc o p p e ra n dc 1 1 r o m e ，s oa st oi m p r o v et h ed e n s i t y , h a r d n e s sa n d 硕 学位论丈a b s t r a c t b e n d i n gs t r e n g t ho fc u c r s 0c o n t a c t m a t e r i a l w h e r e a st h ea d d i t i o no fi r o n ，c o b a l t a n dn i c k e la l s ob r i n gl a t t i c ed i s t o r t i o nt oc o p p e r ，t h i si n c r e a s e st h es c a t t e r i n g p r o b a b i l i t yo f e l e c t r o n ，a n d r e s u l ti nt h ei n c r e a s eo f r e s i s t i v i t yo f c u c r s o k e yw o r d sc u - z n o ，c u c r s o ，c o n t a c tm a t e r i a l ，v a c u u m1 i n f i l t r a t i o n ， p o w d e rs i n t e r i n g i i i 颂 学位论史 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 电触头材料的性能研究 电触头办称触点或接点，是电器开关、仪器仪衷的核心部件之一，主要担负着分断、 接通电路及负载电流的重要任务。现代的大型复杂电气系统，如大型电力系统、自动控 制系统、通讯系统等，包含的电触头数目在数十万以上，如果其中的一个或几个工作失 效，则将可能导致整个系统紊乱，甚至全部瘫痪，它所造成的后果是无法估量的，因此 电触头材料的性能直接影响着电子产品的可靠性、稳定性、精度和使用寿命，已成为电 子技术中不可或缺的重要材料。 根据电器的使用要求，电器开关可分为真空开关、油开关、空气开关、封闭开关、 充气开关等。由于使用场合的不同，对触头材料的要求也是多方面的，即要求它具有良 好的导电性、导热性，低而稳定的接触电阻，高的耐损蚀性、抗熔焊性和一定的机械强 度：对于真空触头材料还要求截断电流小，含气量低，耐电压能力强，热电子发射能力 低等。对此，单一的纯金属是远远不能满足要求的。通过采用粉末冶金工艺，可以把性 能不同而又不能相互溶解或溶解度很小的二种或二种以上的金属组合在一起，制成一种 复合材料，或采用熔铸的方法把二种或多种金属制成合金( 需要时再经过内氧化) 而得到 触头材料，就有可能满足上述主要性能要求并获得最佳的综合性能。 1 1 1 电触头材料应满足的基本要求 电触头的使用特性主要取决于触头在工作时发生的物理过程和与物理过程相关的 化学过程。对电触头来说，特有的两种基本工作状态为闭合状态和分断状态。不同 的两种状态会对触头产生不同的作用，因而也对触头材料提出了不同的要求。 一、闭合过程对触头的要求 在闭合状态下，电触头的工作条件取决于接触面上各种物理过程和化学过程综合作 用的结果。 ( 1 ) 触头的熔焊 在短时通电时，在接触面上温度会急剧升高，温度的升高将导致接触电阻风增加， 毗的增加会进一步导致温度继续升高；同时由于束流区附近的电流线弯曲，会产生触头 自发分断的电动作用力，将引起短电弧。这两种情况都会引起金属熔化，甚至可能出现 爆发式升华，从而产生使触头喷射的附加作用力。 碗卜学位论史 第一事文献综述 长时间通过超负荷电流也会产生相似的效应。触头表面熔化的结果足触头的熔焊。 每一种材料部有相应的l 临界熔焊电流值。当通过触头的电流接近于熔焊电流临界值时， 整个触头在某种程度上发生熔焊。 熔焊和较大量的电损蚀不仅在电路分断时可以观察到，而且在接通时也可以观察 到。在接通电路的时刻，触头会产生弹性变形，开关装置由于跳跃效应发生短时间的断 开。断开可以有多次( 2 5 次振动) 重复，振幅可达o 2 m m 【1 1 ，这一现象称为触头的回 跳。在发生回跳时，触头问会产生短电弧和与之相关的所有效应，其中就包括熔焊。 熔点较低的纯金属易于熔焊( 如银、铜) ，合金和复合金属则难于熔焊；导热性和 导电性较高的材料比导热性和导电性较低的材料更难于熔焊；硬质材料比硬度低的材料 难于熔焊，因此要求电触头材料具有较高的熔点，较好的导热导电性和较高的硬度。 ( 2 ) 触头的接触电阻 传输电流的金属导体在相互连接闭合后，由于导体接合面之间存在间隙、金属氧化 物、污物等不利于电流通过的因素而产生的电阻叫接触电阻。 接触电阻风在很大程度上取决于触点的有效接触面积s k 。闭合状态下，电触头间 的有效接触面要比宏观上是两触头的表面小得多。这是因为微观下触头即使经过了最精 密的机械加工仍会产生一定大小的起伏不平，触头间的接触并不是绝对的紧密，此外触 头表面存在的各种薄膜层也会缩小触点的有效接触面积s k 。众所周知【2 捌，有效接触面 积s k 取决于接触压力f 。( h ) 和触头材料的硬嚏h b ( 布氏硬度) ： ：生一 ( 1 一1 ) 口h b 、 式中，口一表征表面加工光洁度的经验系数( o 0 2 9 9 9 2 2 2 产品质量计算及配料 根据的理论密度计算公式： d m2 瓦磊靠 l d 猢d 。i ( 2 一1 ) 碗卜学位论艾第一二章c u z n o n 0 。材料的制善厦性能研究 计算可得d 月= 8 4 7 9 c m 3 。由于传统粉末冶金真空烧结后的试样致密度为9 5 左右， 在复压后要求材料的密度在9 8 左右，检测试样要求的尺寸为v = 5 0 1 0 x 4 。试样尊重 m = v d 目= 1 6 6 0 9 ，每个试样所含c u 和z n o 的质量为： m c u = 1 6 6 0 0 9 0 = 1 4 9 4 9 m z n o = 1 6 6 0 0 1 0 = 1 6 6 9 采用硬脂酸作成形斜，加入量为1 w t 2 3c u z n o ( 1 0 j 触头材料的制备 2 3 1 混料 按计算的比例配粉后，采用滚筒式混料桶进行干混，混料时| b 】6 - - - 8 小时。 2 3 2 成形 本次试验采用的成形工艺为单向压制，所用设备为y 4 1 1 0 0 单柱校正压装液压机。 首先调节压力为2 0 0 - 4 0 0 m p a 之间，过低的压制压力会导致压坯密度低，在烧结后致密 化程度不高，而过高的压制压力虽然会提高压坯的密度，但是压坯内应力增大，在烧结 过程中容易变形，导致试样烧结过程中开裂甚至破碎，应控制压坯相对密度在8 0 , - 8 5 之间为宜。装模过程中，应将粉末磨平，以保证压坯的平行度，为后续的检测留下基础， 此外，压制时要进行一定时间的保压这有助于提高压坯的密度。 2 3 3 烧结 本实验采用的是真空固相烧结和n 2 保护固相烧结，所用设备为s l 6 3 7 b 真空烧结 炉。取四个不同的温度点( 8 4 0 c 、8 8 0 、9 2 0 、9 6 0 ) 进行烧结，保温时间均为l 小时。装舟时应注意避免石墨舟与炉中的发热体接触，否则容易导致真空炉短路。装好 样品后，打开冷却水开关和电源并没计好升温降温程序，先抽机械泵后抽扩散泵，等真 空度在1 0 p a 以下后开始升温。9 6 0 烧结工艺曲线如图2 - 2 所示( 其余各温度点的升温 速度与该温度点相同，保温时间办为l 小时) 。 ! 堂丝苎 兰= ：皇! ：垒垒! ! ! 塑! ! 塑型墨丝生丝! 塞 图2 - 2 烧结工艺曲线 f i g 2 - 2s i n t e r i n 4 ；p r o c e s sc u r v c 2 3 4 复压 将烧结后的式样置于精整模中整形，以提高材料的致密度，并保证材料的平行度为 后续的电阻率性能检测做准备。压制压力分别为5 0 0 m p a 、7 0 0 m p a 、9 0 0 m p a 、i i o o m p a ， 研究不同的复压压力对材料性能的影响。 2 4 检测手段 2 4 1 密度测定 ( 1 ) 原理：阿基米德原理 而本实验由于样品较致密，开孔隙较少，水浸入样品中的量很少，因此浸油或涂抹 凡士林石蜡的一步可以省去，把样品放在蒸馏水中称量时，是用铜丝拴住样品将其挂在 天平的挂钩上称量的，因此最后计算式为： m p 2 = j = - ( 2 2 ) 所l 一研2 + 掰3 、 码一空气中样品的质量 一蒸馏水中样品的质量 豫一铜丝的质量 啪 撕温。 一pi：i_童 硕 学位论贮第一二富c u - z n o m 材料的制备厦件能研究 图2 - 3 密度测量示意图 f i g 2 3s k e t c hm a po f m e a s u r e m e n to f d e n s i t y ( 2 ) 设备 光学读数分析天平 型号：t g 3 2 8 最大量程2 0 0 9 ，分度值o o l g 2 4 2 电阻率的测定 ( 1 ) 实验计算与注意事项 电阻率p 的计算公式为( 单位为q m ) ： 卜即鲁 1 p 吐罐 ( 2 3 ) r l ：测量时调节的档位，这里是1 0 3 档 l ：式样的长度，标准式样长度为3 5 c m 测晕过程中的注意事项：式样一定要磨平整，各接触端面要求平整并且平行； 按下单相开关；调整好标准电阻r x 为o 0 0 0 1 ，r l 为1 0 3 ；控制央具所施加的压力， 保证式样矧设备有良好接触，但又不至于拱起。 ( 2 ) 设备 直流稳流计j w l - 一3 0 1 型 电阻测鼍夹具： 堡! 兰丝垒皇 笙三兰! ! 兰! 堕! ! 翌! ! 塑墅堡垒丝壁竺窒 电位端跨据：3 5 锄 标准银棒电阻值：1 1 0 2 1 1 2 2 ( uq ) a c l 5 2 直流复射式检流计 2 4 3 抗弯强度测定 采用三点弯曲法测定触头材料的抗弯强度，对于矩形截面的式样来说，弯曲应力的 计算公式为：仃= 3 f l ( 2 b h 2 ) ，实验用设备为液压式力能材料实验机。 2 4 4 硬度测定 ( 1 ) 测定原理 布氏硬度测量是在一定负荷作用下名将一定直径的钢球压入试样，经规定保荷时间 后，卸除负荷，测出试样表面的压痕直径。负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值 ( h b ) ，单位为公斤力m m 2 ，亦可由压痕的直径通过查找布氏硬度表得出所需数值。 ( 2 ) 设备 布洛维硬度计 型号：h d i h 1 8 7 5 型 负荷值p ( 公斤) ：6 2 5 刚球直径：2 5m i l l 显微镜 2 4 5 扫描电子显微镜与e d a x 能谱检测 采用k y k y 2 8 0 0 型扫描电子显微镜观测材料的断口形貌和物相结构，采用f i n d e r 1 0 0 0 型能谱仪测定材料的成分分布。 2 4 6 金相检测 采用m e f 3 a 金相显微镜观察材料的相组成和金相形貌。 2 4 7 物相分析 采用r i g a k ud m a x 2 5 5 0 v b + 1 8 k w 转靶x 射线仪测定不同烧结气氛所得样品的物 相组成 研l t 学位论定第章c u - z n q 材料的制备屉件能研究 2 5c u z n o ( 1 0 ) 触头材料实验结果与性能分析 2 5 1 烧结工艺对c u - z n o f l 0 密度的影响 ( i ) 烧结温度对c u - z n o o o ) 密度的影响 c u - z n o 材料属于互不溶系“假合金”，即组元问互不相溶且无反应的合金。互不溶 系的烧结温度由粘结相的熔点决定。本试验采用的是固相烧结，即烧结温度低于c u 的 熔点1 0 8 3 ，以避免试样在烧结过程中产生严重变形。c u - z n o 材料在烧结过程中会产 生一定的内应力，这些内应力主要来自材料成形时的变形所产生的畸变、粘结剂的挥发 和z n o 的挥发等。随着烧结温度的提高，产生的烧结内应力也随之增大，当烧结温度 超过9 6 0 。c 时，烧结内应力会导致c u - z n o o o ) 材料开裂甚至破碎，因此c u - z n o o o ) 材料的 烧结温度不得高于9 6 0 。本文取用8 4 0 、8 8 0 、9 2 0 、9 6 0 四个温度点，保温时 问均为1 h 的实验样品为研究对象。如图2 - 4 所示，材料的致密度随着烧结温度的升高 而升高。因为原子互扩散系数是随温度的升高而显著增大的，而烧结的过程就是材料内 部褶互扩散的过程，因此温度的提升可以促进烧结进行。 g 磊 誊 g # 馨 暑 已 三 鬯 暑 图2 - 4 烧结温度对c u - z n o f l o ，材料密度的影响 f i g 2 - 4e f f e c to f s i n t e r i n gt e m p e r a t u r eo nd e n s i t yo f c u - z n o ( t o ) m a t e r i a l ( 2 ) 烧结气氛对c u - z n o ( 1 0 1 密度的影响 烧结气氛对c u - z n o o o ) 金属陶瓷材料体系烧结的影响相当大。如果采用氧化烧结气 氛将导致金属成分被氧化，减弱了材料的导电性能，因此只能采用保护气氛烧结，如氮 气气氛烧结或者真空烧结。如图2 4 所示，相同的烧结温度下，真空烧结试样的密度大 于氮气气氛保护烧结的试样。因为与氮气气氛相比，真空气氛不但足一种中性的气氛， 即不与材料发生任何反应，而且真空气氛还具有以下四丈优点：减少气氛中的有害成 分( h 2 0 、0 2 、n 2 等) ，可以防止c u 在商温下被氧化影响烧结的进行；真空气氛有利 笛 惦 竹 8 8 8 8 8 严e-6一皇丘e器e弓。璺io誊竹cea 硕卜学位论文第二章c u - z n o f l o l 材料的制各及件能研究 于排除a i 、m g 等杂质或其氧化物，可以提纯材料；真空有利于排除吸附气体( 孔隙 中残留气体以及反应气体产物) ，对于促进烧结后期的收缩作用明显；真空气氛烧结 温度更低，一般可以降低1 0 0 - - 1 5 0 ( 2 有利于提高相同烧结温度的试样的致密度。 2 5 2 烧结工艺对c u z n o ( i o ) 材料的电阻率的影晌 c b - z n o ( 1 0 ) 材料的主要构成为c u ，而电解铜的电阻率s 1 7 3 芦q c ，l 与银的1 6 3 u q c m 相近，这为材料的电阻率提供了一定的保障。 ( 1 ) 烧结温度对c u - z n o ( 1 0 ) 电阻率的影响 图2 5 所示为烧结温度对c u - z n o o o ) 电阻率的影响，由图可见电阻率随着烧结温度 的提升而降低。这是因为烧结温度的提高有利于加速材料的烧结进程，消除材料中的孔 隙，提高材料的致密度，由于孔隙的电阻率趋近于无穷大，因此烧结材料中孔隙的减少 必然会降低材料的电阻率。此外，烧结温度的提高还有利于晶界扩散、晶粒长大，从而 减少晶界，而晶界在实际晶体中具有一种结构上的不稳定性，这种不稳定性会使电子所 处的势场偏离晶格周期性，导致电子波遭受散射，电子会改变运动方向，增加电阻，形 成所谓的“声子散射”或“杂质散射” s l l ，因此烧结温度的升高有利于材料电阻率的降 低。 图2 - 5 烧结温度对c u - z n o o o r f 8 料电阻率的影响 f i g 2 5e f f e c to f s i n t e r i n gt e m p e r a t u r ei nv a c u u ma t m o s p h e r eo nr e s i s t i v i t yo f c u - z n o o o ) m a t e r i a l ( 2 ) 烧结气氛对c u z n o ( 1 0 ) 材料电阻率的影响 如图2 5 所示，相同烧结温度下，真空气氛烧结的样品的电阻率低于氮气气氛烧结 的样品。如前所述，真空气氛有助于排除材料自身吸附的气体，促进烧结扩散的进行， 并且真空气氛可以降低烧结温度，即相同的烧结温度下，真空烧结的致密化效果好于氮 翟墨尊未膏。譬，-暑pi。一暑y暑一 加 2 2 2 2 引 讨 伪 玎 两 伪 2 2 2 2 2 2 2 一ep呈。ide器量，u-，扫罩直_毒 硕l 。学位论丈 第二章c u - z n o r l o ，村料的制各硬件能研究 气气氛烧结。图2 - 6 所示为9 6 0 1 2 下烧结c u z n o f l o l 材料的s e m 图像。由图2 - 6 可以看 出图中的亮色区域为c u 基体，暗色区域为z n o 硬质相。比较图2 - 6 ( a ) 和( b ) 中的c u 基 体可见，真空烧结式样的c u 基体固结效果良好，c u 基体的表面平整，孔隙较少，而氮 气气氛烧结试样c u 基体固结效果较差表面则较为粗糙，孔隙较多；此外观察两试样的 z n o 陶瓷相可见真空气氛烧结式样的z n o 硬质固结良好粘结成块，而氮气气氛烧结试 样的固结较差成颗粒状聚集，同样导致了较高的孔隙度，而高的孔隙度必将引起电阻率 的上升。因此真空烧结试样的电阻率低于氮气气氛烧结式样的电阻率。 图2 - 69 6 0 下烧结的c u - z n o ( 1 0 ) 材料s e m 图 f i g 2 - 6s e mm o r p h o l o g i e so f c u - z n o t l 0 ) s i n t e r e da t9 6 0 ( a ) s a m p l es i n t e r e di nv a c u u ma t m o s p h e r e( b ) s a m p l es i n t e r e di nn i t r o g e na t m o s p h e r e 硕十学位论文 第二章c u z n o f 咖材料的制备及件能研究 2 5 3 烧结工艺对c u z n o a o ) 的抗弯强度的影响 ( 1 ) 烧结温度c u - z n o o m 对抗弯强度的影响 图2 - 7 所示为烧结温度和c u - z n o o o ) 材料抗弯强度的关系。由图2 7 可以看出随着 烧结温度的上升，c u - z n o ( 1 0 1 0 材料的抗弯强度呈现上升的态势。 8 4 08 6 08 8 09 0 09 2 09 4 0 9 6 0 t e m p e 懵h m i ) 图2 - 7 烧结温度和烧结气氛对c u - z n o ( 1 0 1 材料抗弯强度的影响 f i g 2 7e f f e c to f s i n t e r i n gt e m p e t 【l a n ds i n t e d n ga t m o s p h e r e0 1 1t h eb e n d i n gs t r e n g t ho f c u - z n o ( 1 m m a t e d a l 这是因为粉末的烧结过程大致可以分为粘结阶段、烧结颈长大阶段及闭孔隙球化和 缩小阶段，其中，烧结颈长大阶段的主要特征就是烧结体收缩、密度和强度增加，孔隙 大量减少。烧结温度越高，烧结颈长大阶段甚至闭孔隙球化阶段开始得越早，就越有利 于减少材料中的孔隙。因此随着烧结温度的提高，在外力作用下，对孔隙较为敏感的微 裂纹源出现的几率减小，从而使材料承受压力的能力增强，即材料的抗弯强度随着烧结 温度的升高而增加( 见图2 7 ) ，以9 6 0 ( 2 试样的抗弯强度最好。 ( 2 ) 烧结气氛对c u - z n o o o ) 抗弯强度的影响 如前所述，相同烧结温度下真空气氛更有利于材料致密化过程的进行，c u 基体的 固结效果良好。材料的塑性变形是位错不断运动和增殖的过程，在应力加载的过程中， 塑性变形受阻，就意味着运动中的位错遇到了某种阻碍，在此处形成了高度的应力集中， 随着埂性变形的进行所积累的应力集中程度越来越大，当此应力达到足于破坏原子日j 的 键和力时，便开始了裂纹的形核，根据g r i f f t h 的裂纹理论【8 t 8 3 1 ，在裂纹的尖端会引起 强大的应力集中，当裂纹尖端到达理论的断裂强度后会引起裂纹的急剧扩展，导致断裂， c u - z n o o o ) 材料中抵制埋性变形的主要成分为c u 基体，而真空温度烧结试样的c u 基体 固结效果良好相比于氮气气氛烧结具有更高的塑性，有利于抵制裂纹的形核。在裂纹核 锄 蜘 枷如 如劫 枷伽 伽 一t王一c茜cp鼻*口u|口c击 硕卜学付论史 第二章c u z n o m ，材幸l 的制番厦件能研究 形成后，断裂过程便进入了裂纹扩展阶段，裂纹的扩展遵循着能量最小的原理，在 c u - z n o a o ) 材料中z n o 为脆性相，强度较低，是材料中的裂纹源，是裂纹扩展的通道， 真空气氛烧结试样的z n o 相结合良好，增加了裂纹扩展的阻力，有助于提高材料的力 学性能。 图2 _ 8 所示为真空气氛下和氮气保护气氛下9 6 0 下烧结的c u z n o 试样未腐蚀前 的金相照片。由图2 - 8 可看出真空烧结试样中的z n o 均匀分散，而氮气保护烧结后试样 中的z n o 在铜基体内形成了网络状分布。因为z n o 相是材料中裂纹的主要扩散通道， 网络状的分布使得裂纹扩展过程中没有其他的阻碍，导致材料的强度下降；而均匀分散 的z n o 有助于提高材料的强度，这是由于在裂纹扩展过程中裂纹需要破坏c u 结构才可 进一步扩展，而c u 的强度远高于z n o 陶瓷相。因此氮气保护烧结后试样的抗弯强度较 低。 图2 - 89 6 0 c 下烧结的c u - z n o r l 0 溅样未腐蚀前的金相照片 f i g 2 8m e t a l l o g r a p h i cm o r p h o l o g i e so f c u - z n 0 0 0 1s i n t e r e du n d e r9 6 0 cb e f o r ec o 丌0 d i n g ( a ) s a m p l es i n t e r e di nv a c u u ma t m o s p h e r e ( b ) s a m p l es i n t e r e di nn i t r o g e na t m o s p h e r e 3 0 硕卜学位论史第二二章c u - z n q 材料的制备展怍能研究 真空烧结和氮气气氛烧结的试样中均存在z n o 挥发带( 见图2 9 ) ，并且真空气氛 烧结的试样的挥发带更为明显。挥发带的存在使试样的表面同试样内部形成了z n o 梯 度，挥发带内z n o 含量较少，裂纹扩展的阻力较大，因此挥发带的存在有利于材料强 度的提高。而z n o 在真空气氛中比氮气气氛更易于挥发致使真空烧结试样的挥发带宽 度比氮气气氛烧结的更宽，因此真空气氛烧结有利于材料强度的提高。 图2 - 9 烧结后c u - z n o f l 0 ) 材料的挥发带 f i g 2 - 9t h es u b l i m i n i n gz o n e o fc u z n o ( 1 0 ) m a t e r i a la f t e rs i n t e r ( a ) s a m p l es i n t e r e di nv a c u u ma t m o s p h e r e ( b ) s a m p l es m t e r e ai nn i t r o g e na t m o s p h e r e 综合s e m 分析、金相分析和z n o 挥发带分析可知，相同烧结温度下，真空气氛烧 结的试样的抗弯强度远高于氮气气氛烧结试样的抗弯强度。 图2 1 0 所示为c u z n o ( 1 0 ) 复合材料的断口形貌。由图2 1 0 可看出，真空气氛下9 6 0 烧结试样的断口呈现大量的韧窝，为明显的韧性断裂：真空气氛下9 2 0 烧结的试样 的断口韧窝的数量有所减少，并且韧窝变浅，韧窝边缘出现锐化现象材料的韧性下降； 3 i 硕卜学 童论史第- 二章c u z n q 材料的制备硬件能研究 氮气气氛下9 6 0 c 烧结试样的断口只存在少量的韧窝，断裂形式明显向脆性断裂转化， 可见c u - z n o 材料的韧性会随着烧结温度的提高而提高，并且真空气氛烧结育助于提高 材料抗弯强度，因此材料的抗弯强度随着烧结温度的提高而提高，并且真空气氛烧结试 样的抗弯强度远大于氮气气氛烧结试样的抗弯强度。 图2 - l oc u - z n o f l o ) 复合材料的s e m 照片 f i g 2 1 0m o r p h o l o g i f r a c t u r es u r f a c e so f c u - z n o t t 0 ) c o n t a c tm a t e r i a li nd i f f e r e n ta t m o s p h e r ea td i f f e r e m t e m p e r a t u r e ( a ) - v a e u u ma t m o s p h e r e , a t9 6 0 c ；( b ) 一v a c u u ma t m o s p h e r e ，a t9 2 0 c ；( c ) - n i t r o g e na t m o s p h e r e , a t9 6 0 ( 2 图2 1 1 所示为真空气氛和氮气气氛烧结试样的x m y 衍射图谱，试验结果表明无论 是氮气气氛烧结还是真空气氛烧结，试样的组成均为c u 和z n o 并未生成新相，但是真 空气氛烧结试样的z n o 相含量低于氮气气氛烧结试样的z n o 相含量。 硕 学位论文 第二章c u - z n o 材科的制备及件能研究 ( b ， i i i ii ， li 。i ii。i ?。l 。， 图2 1 1c u - z n o ( 1 m 触头材料的x r a y 衍射图谱 f i g 2 1lt h ex r a yo f c u - z n o r 3 0 ) c o n t a c tm a t e r i a l ( a ) s 锄p l es i n t e r e di nv a c u u ma t m o s p h e r e ( b ) s a m p l es i n t e r e di nn i t r o g e na t