（材料科学与工程专业论文）αal2o3cu复合材料的制备及性能研究.pdf

：。 n ：j 乙：，- o 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究l 作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谫 的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工j 大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 同期： 砂。多 本人完伞了解北京1 ：业大学有关保留、使用学位沦文的舰定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允诩：论文被鱼| 蒯和借阅；学校叮以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的沦文在解密后应遵守此规定) 签名懈导师签名：鲞盟h 期： 加，o 。岁 摘夏 摘要 利用粉末冶金法，制备了0 【a 1 2 0 3 体积含量为0 3 0 八种不同组分的 0 l a 1 2 0 3 c u 复合材料。初步探索了0 【a 1 2 0 3 c u 复合材料的制备工艺及其力学- 阡能 和物理性能。研究了c a 1 2 0 3 体积含量对复合材料烧结收缩率、密度、相对密度、 显微组织、硬度、抗压强度和导热性、导电性及耐磨性的影响，并初步探索了强 化机理及磨损机理。另外，为了改善一次烧结样品性能，在一次烧结的基础f ：又 进行了复压复烧。 实验结果表明：粉末冶会法制备a a 1 2 0 3 c u 复合材料最佳烧结工艺是1 0 3 0 ，保温1 2 0 m i n 。一次烧结制备的复合材料，随着c c a 1 2 0 3 体积含量的增加，体 积收缩率在3 2 2 3 之间，1 0 v 0 1 a 1 2 0 3 样品收缩率最大。烧结密度和相对密 度逐渐减小，烧结密度在5 1 6 6 7 8 3 0 c m 3 之问，相对密度在o 6 5 4 0 8 7 8 之j l i j 。 显微硬度先增加后下降，5 v 0 1 a 1 2 0 3 达到最高0 4 6 4 g p a 。从显微组纵观察发现， a 1 2 0 3 颗粒体积含量为o 1 0 时复合材料中a 1 2 0 3 能够均匀分前i ，a 1 2 0 3 颗粒与 c u 基体结合紧密。随着a 1 2 0 3 颗粒体积含量的增加，混和粉k 中两相的均匀分 散难度变大，在15 v 0 1 3 0 v o l a 1 2 0 3 复合材料中a 1 2 0 3 团聚较严莺。随0 【a 1 2 0 3 体积含量的增加，c 【a 1 2 0 3 c u 复合材料的抗压强度r m 。先升高后降低，并目 5 v o l a 1 2 0 3 的抗压强度达到最高值1 3 6 3 m p a ，远远高于纯铜样品6 5 6 m p a ，【 | 此 可以看出，a 1 2 0 3 颗粒的添加对于提高复合材料的抗压强度是很明显的。经过镦 粗后，a a 1 2 0 3 c u 复合材料的相对密度及显微硬度均有较大提高，镦粗后梢对密 度最高的是o a 1 2 0 3 的样品，达到9 5 2 。镦粗前后土曾加幅度最大的是a 1 2 0 3 含 量为1 0 v 0 1 的0 【a 1 2 0 3 c u 复合材料，增幅为9 6 。镦粗后娃微硬度最高的是 2 5 v 0 1 a 1 2 0 3 的样品，达到o 9 9 6 g p a ，增加幅度最大的是a 1 2 0 3 含黾为1 0 的 0 【a 1 2 0 3 c u 复合材料，增加了1 8 2 倍。一次烧结制备的复合材料电导率先增加 后卜i 降，2 5 v 0 1 a 1 2 0 3 的导电性能最佳。纯铜样品热导葺墨为2 7 1 2 l w ( m k ) ，相 当于纯铜标准值的6 7 6 。2 5 v 0 1 a 1 2 0 3 的试样热导葺夏为2 5 2 7 1w ( m k ) ，为理 论值的7 3 。当a 1 2 0 3 体积分数大于1 0 v 0 1 以后热导率急剧下降，这说明热导 率受a 1 2 0 3 含量影响很大。一次烧结制各的复合材料体积分数为1 5 的试样耐磨 性相对较好。磨损随着对偶环转速的增大先加剧后变缓，在二二种转速2 0 0 ，2 8 0 ， 3 6 0 r p m 中，2 8 0 r p m 时磨损最为严重。在本实验条件中的二种转速下，摩擦冈数 均先增大后减小。磨损机理卡要是磨料磨损和粘着磨损。 复压复烧工艺对于提高复合材料的综合性能有较大作用。复胝复烧后复合材 料的相对密度值在7 1 9 3 之间，增加幅度最大的是1 5 v o l a 1 2 0 3 ，增幅达 1 7 9 。复压复烧后样品显微硬度大幅提高，2 5 v 0 1 a 1 2 0 3 试样显微硬度最高达 北京丁、也人学t 学硕卜位论文 到0 9 0 l g p a 。1 5 v o l a 1 2 0 3 试样显微硬度达到0 8 7 9 g p a ，提高了1 9 倍。复压复 烧j 艺对于提高仅一a 1 2 0 3 c u 复合材料耐磨性有明显的作用。在2 0 0 ，2 8 0 ，3 6 0 印m 试验条件下，耐磨性能提高最大的分别为2 5 v 0 1 a 1 2 0 3 ，5 v 0 1 a 1 2 0 3 ，5 v o l a 1 2 0 3 的复合材料，复压复烧后磨损量分别大约是第一次烧结磨损量的3 6 ，4 3 6 ， 2 2 。复合材料中0 【a 1 2 0 3 含量一定时，对偶环转速为2 8 0 r p m 的磨损龟最大， 与一次烧结样品磨损的规律一致。复压复烧后复合材料的热导率也有所增加，增 幅最大的是l o v o l a 1 2 0 3 的试样，增幅为6 5 8 ，o a 1 2 0 3 的试样( 纯铜) 热导率 也增加了2 6 ，达到标准纯铜热导率的8 5 。 在各组分配比的0 【a 1 2 0 3 c u 复合材料中，1 5 v 0 1 a 1 2 0 3 样品显微硬度为 o 8 7 9 g p a ，比标准纯铜( o 6 2 l g p a ) 提高了4 1 5 ；2 8 0 r p m 时，相对于标准纯铜的 体积相对耐磨性为1 7 2 ；热导率为2 8 0 4 5 ( w ( m k ) ) 为标准纯铜( 4 0 1 ( w ( m k ) ) 热导 牢的7 0 ，总体来说1 5 v 0 1 a 1 2 0 3 复合材料的硬度、耐磨性及热导性等综合性能 较优。 关键词0 【a 1 2 0 3 c u 复合材料；粉木冶金；力学性能；热导牢；耐磨性 a b s t r a c t a b s t r a c t e i 曲td i f r e r e n tc o m p o n e m so fq a 1 2 0 3 c uc o m p o s i t e sw h i c hc o n t a i n0 【一a 1 2 0 3 v o l u m ef r a c t i o n1 j r o m0 t o3 0 w e r ep r e p a r e db yp o w d e rm e t a l l u r g ym e t h o d t h e p r e p a r a t i o nt e c h n o l o g y o f0 【一a 1 2 0 3 c uc o m p o s i t e sw a si n v e s t i g a t e d ， a n di t s m e c h a n i c a lp r o p e l r t i e sa n dp h y s i c a lp r o p e r t i e sw e r es t u d i e d t h ee 虢c to fv o l u m e 矗a c t i o no f0 【一a 1 2 0 3p a r t i c l e so ns l l r i r 出a g e ，d e n s i t y ，r e l a t i v ed e n s i 吼m i c r o v i c k e r s h a r d n e s s ，m i c r o s t r u c t u r e ，c o m p r e s s i v es t r e n g t h ， m e r n l a l c o n d u c t i v i t y ， e l e c t r i c a l c o n d u c t a n c ea i l dw e a rr e s i 嗽m c eo fm ec o m p o s i t e sw e r es t u d i e d ，a n ds t r e n g t h e n i n g m e c h a n i s ma n dw e a rm e c h a n i s mw e r ea l s od i s c u s s e d i na d d i t i o n ，s e c o n ds i n t e r i n g w a se x e c u t e df o ri m p r o v i n gp r o p e n i e s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i m u ms i m e r i n gt e m p e r a t u r ef o r 伐一a 1 2 0 3 c u c o m p o s i t e si sh o l d i n gl2 0 m i nu n d e rl0 3 0 w i t hm ei n c r e a s eo fv o l u m ef r a c t i o no f 0 l a 1 2 0 3 ，c o m p o s i t e ss h r i n k a g e i si nt h er a n g eo f3 2 2 3 t h el a r g e s ts 1 1 r i n k a g ei s i nt h es 锄p l eo f10 v 0 1 a 1 2 0 3 锄o u n t st o2 3 a sa a 1 2 0 3c o n t e n ti n c r e a s e s ，t h e d e n s i t ya n dr e l a t i v ed e n s i t yo fc o m p o s i t e sw h i c hw e r es i n t e r e do n c eg r a d u a l l yr e d u c e t h e i rs i n t e r e dd e n s i t yi si nt h er a n g eo f5 16 6 7 8 3 0g c m 3 ，a n dr e l a t i v ed e n s i t yv a r i e s b e t w e e nt h eo 6 5 4 0 8 7 8 t h e i rm i c r o v i c k e r sh a r d n e s sf i r s ti n c r e a s e da n dt h e n d e c r e a s e d t h em i c r o v i c k e r sh a r d n e s so f5 v 0 1 a 1 2 0 3w h i c h 锄o u n t st oo 4 6 4 g p ai s t h em a x i m u m i ti sd i s c o v e r e df r o mm i c r o s t m c t u r eo b s e r v a t i o nt h a ta a 1 2 0 3p a n i c l e s d i s p e r s eu n i f o r m l yi nc o n t e mo fo lo ，a 1 1 da r ec o h e s i v ew i t hc o p p e rm a t r i x a s 0 【一a 1 2 0 3p a i r t i c l e s c o n t e n t i n c r e a s e s ，t h eu n i f o r md i s t r i b u t i o no fm i x i n gp o w d e r b e c o m e sh a r d e r u n d e rt h ec o m e mo f15 3 0 v 0 1 ， c o n g l o b a t i o no f0 【一a 1 2 0 3 p 狐i c l e si sm o r es e r i o u sa n d u n i f o n nd i s t r i b u t i o no fo l a 1 2 0 3p a n i c l e sb e c o m e sw o r s e d u r i n gt h ep r o c e s so fp o l i s h i n g ，a a 1 2 0 3p a r t i c l e sd r o ps i g n i f i c a n t l ys e “o u s a l o n g w i t ho c a 1 2 0 3v o l u m ei n c r e a s e ， t h e c o m p r e s s i v es t r e n g t h尺m c o f0 【一a 1 2 0 3 c u c o m p o s i t e sf i r s ti n c r e a s ea n dt h e nd e c r e a s e t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho f5 v 0 1 a 1 2 0 3 i st h eh i g h e s t ，a t t a i n i n g13 6 3 m p aw h i c hi sf a r 行o mt h a nt h ep u r ec o p p e r s6 5 6 m p a s oa 1 2 0 3p a n i c l e sc a ne n h a n c er m c a r e ru p s e t t i n g ，t h er e l a t i v ed e n s i t ya n d m i c r o - h a r d n e s so ft h e0 【a 1 2 0 3 c uc o m p o s i t ea r er e s p e c t i v e l yi m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y t h eh i g h e s tr e l a t i v ed e n s i t yi so a 1 2 0 3s a m p l ew h i c hr e a c h e s9 5 2 a r e ru p s e t t i n g t h el a r g e s t 锄p l i t u d ea f t e ru p s e t t i n gi sl0 v o l a 1 2 0 3s a n l p l e ，t h ea m p l i t u d ei s9 6 t h eh 垃h e s tm i c r o v i c k e r sh a r d n e s si so a 1 2 0 3s 锄p l er e a c h e so 9 9 6 g p a t h e l a 唱e s ti n c r e a s ei sa - a 1 2 0 3 c uc o m p o s i t eo f10 v 0 1 a 1 2 0 3 ，i s1 8 2t i m e st h a nb e f o r e u p s e t t i n g t h ee l e c t r i cc o n d u c t i v i t y f i r s ti n c r e a s e sa n dt h e nd e c l i n e s ， e l e c t r i c c o n d u c t i v i 付o f2 5 v 0 1 a 1 2 0 3c o m p o s i t e si st h em a x i m u m t h e m a lc o n d u c t i v i t yo f s i n t e r e d p u r ec o p p e r i s 2 7 1 2 1 w ( m k ) ， a n dr e a c h e s6 7 6 i a c s t h e r m a l c o n d u c t i v i t ys h a r p l yd e c l i n e sw h e na a 1 2 0 3v o l u m ef r a c t i o ne x c e e d s lo t h i s i l i 北京t 业人学t 学硕i 学位论文 s h o w st h a tt h e n l l a lc o n d u c t i v i t yi ss e r i o u s l ya n e c t e db y0 【一a 1 2 0 3c o n t e n t a saw h o l e ， t h ew e a rr e s i s t a n c eo ft h ef i r s ts i m e r i n gs a m p l e si sn o te x c e l l e n t ，w h i c hm a i n l y b e c a u s et h er e l a t i v ed e n s i t yi sn o th i 曲e n o u 曲i ts h o w st h ew e a rr e s i s t a n t p e r f b m a n c eo fl5 v 0 1 仅一a 1 2 0 3i sb e t t e r f r i c t i o nf a c t o rd e c r e a s e s ，a n dt h e ni n c r e a s e s w i t ht h eg r o w i n go fr o t a 巧v e l o c i 妙2 8 0 印ma r et 1 1 em o s ts e v e r er o t a r ) ，v e l o c i t y 锄o n g 2 0 0 ，2 8 0 ，3 6 0 r p m a 1 1f r i c t i o nf a c t o ra tr o t a r yv e l o c i t yo f2 0 0 ，2 8 0 ，3 6 0 印mi n c r e a s e s f i r s ta n dt h e nd e c r e a s e s w e a rm e c h a n i s ma r eg r i n d i n ga b r a s i o n 锄da d h e r ea b r a s i o n t h ep r o c e s so ft h es e c o n ds i m e r i n gp l a y sam a j o rr o l ei ni m p r o v i n gt h eo v e r a n p r o p e l r t i e so fc o m p o s i t e s r e l a t i v ed e n s i t yi s71 9 3 a r e rs e c o n ds i n t e r i n g t h e e x t e n to ft h e i a 唱e s tg r o w t hi s i n15 v 0 1 a 1 2 0 3s 锄p l e锄o u n t e dt o l7 9 m i c r o v i c k e r sh a r d n e s sm e rs e c o n d s i n t e r i n g i n c r e a s e s s i g n i f i c a n t l y t i l e m i c r o v i c k e r sh a r d n e s so f2 5 v 0 1 a 1 2 0 3s 锄p l ei sm a x i m u m 锄o u n t st oo 9 0 1g p a 15 v o l a 1 2 0 3s a m p l ea m o u n t st oo 8 7 9 g p a ，w h i c hi n c r e a s e s1 9t i m e st h a nt h a to ft h e f i r s ts i n t e r i n gs a m p l e t h ew e a rr e s i s t 趴tp e r f o r m a n c ei m p r o v e so b v i o u s l y t h e m a x i m a li n c r e a s eo fw e a rr e s i s t a n c er e s p e c t i v e l yi si n2 5 v 0 1 a 1 2 0 3 ，5 v o l a 1 2 0 3 ， 5 v 0 1 a 1 2 0 3 u n d e rt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o no f2 0 0 ，2 8 0 ，3 6 0 r p m ，t h ea m o u n to f w e a rl o s sa r e rs e c o n ds i n t e r i n gi s3 6 ，4 3 6 ，2 2 o ft h a to ff i r s ts i n t e r i n g ， r e s p e c t i v e l y a sf o rac e r r t a i nc o n t e n to fq a 1 2 0 3 ，m ew e a rl o s sa t2 8 0 r p mo fc o u p l e r i n gr o t a r yv e l o c i t yr e a c hm em a x i m u m ，w h i c hi sc o i n c i d e n tw i t ht h a to fm ef i r s t s i n t e r i n g t h e r n l a lc o n d u c t i v i t ya l s oi n c r e a s e sg r e a t l y t h ei n c r e a s eo f10 v o l a 1 2 0 3 s a m p i e si st h em a x i m 啪，a n dt h er a t i oo fi n c r e a s ei s6 5 8 t h e 衄a lc o n d u c t i v i t yo f 0 a 1 2 0 3 ( p u r ec o p p e r ) s p e c i m e n sa l s oi n c r e a s e s2 6 ，a n dr e a c h e s8 5 t h a to f s t a n d a r dp u r ec o p p e r f o rl5 v o l a 1 2 0 3s a m p l e ，t h em i c r o - c k e r sh a r d n e s si s0 8 7 9 g p a ，l a r g e rt h a n s t a n d a r dp u r ec o p p e r ( o 6 2 1 g p a ) 4 1 5 ；r e l a t i v ew e a rr e s i s t a n ti s1 7 2c o m p a r e df o r p u r ec o p p e ru n d e r9 8 n ，2 8 0 r p m ，6 0 0 0 r e v ；t h e m a lc o n d u c t i v i t yi s2 8 0 4 5w ( m k ) ， a b o u ti s7 0 o fs t a n d a r dp u r ec o p p e r ( 4 01 ( w ( m k ) ) i ns u m m a r y ，t h eo v e r a u p r o p e i r t i e so ft h e15 v 0 1 a 1 2 0 3c o m p o s i t e s ，s u c ha sm i c r o v i c k e r sh a r d n e s s ，w e a r r e s i s t a n c ea n dt h e n n a lc o n d u c t i v i t y ，i sb e t t e r k e yw o r d s0 【- a 1 2 0 3 c uc o m p o s i t e s ； p o w e rm e t a i l u r g y ；m e c h a n i c a i p r o p e n i e s ； t h e n n a lc o n d u c t i v i t y ；w e a rr e s i s t a n tp e r f o n n a n c e i v 同录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 本课题研究的背景1 1 1 1 金属基复合材料l r 1 1 2a 1 2 0 3 c u 复合材料5 1 2 国内外研究现状5 1 2 1a 1 2 0 3 c u 复合材料的制备工艺6 1 2 2a 1 2 0 3 c u 复合材料特征及其应用9 1 2 3a 1 2 0 3 c u 复合材料力学性能及物理性能的研究1 1 1 2 4 复合材料摩擦磨损性能的研究1 2 1 2 5 目日订研究现状和存在的问题1 4 1 3 本课题研究的目的及意义1 4 1 4 本课题研究的创新点及关键点1 6 第2 章实验方法及内容l7 2 1 实验原材料17 2 2a 1 2 0 3 c u 复合材料的制备1 9 2 3 试样制备及加工1 9 2 4 实验方法及内容一2 0 2 4 1 力学性能及物理性能测试一2 1 2 4 2 摩擦磨损实验及耐磨性能评测2 3 2 4 3 组成成分及制备工艺优化2 4 2 4 4 微观机理研究2 4 2 4 5 研究的技术路线一2 4 2 5 本章小结一2 4 第3 章q ai ：0 。c u 复合材料的制备一2 5 3 1 粉料混制一2 5 3 2 压制成形 3 3 真空烧结工艺及工艺优化2 8 3 4 本章小结3 0 第4 章q aj ：o 。c u 复合材料的组织及性能31 4 1 显微组织31 4 2 密度及相对密度3 2 、 4 3 收缩率3 5 4 4 显微硬度h m v 的测试3 6 4 5 抗压强度的测定3 6 4 6 镦粗4 0 4 7 导电性能4 3 4 7 1 电导率测试方法及原理4 3 4 7 2o 【a 1 2 0 3 c u 复合材料电导率及结果分析4 4 4 8 导热性能4 7 4 8 1 热导率测试方法及原理4 7 4 8 2 导热性能测试及结果分析5 0 4 9 本章小结5 3 第5 章q ai ：0 。c u 复合材的摩擦磨损性能5 5 5 1a 1 2 0 3 体积分数对复合材料耐磨性能的影响5 5 5 2 对偶环转速对复合材料耐磨性能的影响5 8 5 3 摩擦凶数随转速的变化6 0 5 4 磨损机理分析一6 1 5 5 本蕈小结6 4 第6 章复压复烧工艺对材料性能的影响6 5 6 1 复压复烧工艺：6 5 6 2 复压复烧工艺对复合材料性能的影响6 5 6 2 1 复压复烧对密度及收缩率的影响6 5 6 2 2 复压复烧对显微硬度的影响6 8 6 2 3 复瓜复烧对摩擦磨损性能的影响7 0 6 2 4 复j ，i i 复烧对热导率的影响7 3 f 1 录 6 3 本章小结7 4 结论7 7 参考文献7 9 攻读硕士期间发表论文情况8 5 致谢8 7 北京t 、i k 人学t 学形! i ，学化论文 第l 鼋绪论 第1 章绪论 1 1 本课题研究的背景 复合材料是由两种或两种以上异质、异形、异性的原术于料通过一定的j 艺 组合而成的一种新的材料。复合材料的整体性能并不是其组分材料性能的简单 叠加或者平均，这其中涉及剑一个复合效应问题。复合效应实质上是原材料及 其所形成的界面互相作用、互相依存、互相补充的结果。它表现为复合材料的 性能在其组分材料基础上的线性和非线性的综合。 复合材料与传统材料相比具有比强度高，比模量大，耐疲劳的特点；另外 复合材料的破损安全性高，复合材料的破坏不像传统材料那样突然发生，而是 经历基体损伤、丌裂、界面脱粘、断裂等一系列过程。复合材料区别于传统材 料的一个重要特点是依靠不同的组分材料分散和承担载荷。基体j 增强体间的 相。一：作用是通过所形成的界面的性质和强度来表现出来的。在交界而，化学组 分发生急剧变化，存在着复杂的特殊的物理、化学、力学的作用。 1 1 1 金属基复合材料 常见的复合材料按其组成物种类主要有以下三类：金属基复合材料 ( m e t a l m a t r i xc o m p o s i t e s ，简称m m c ) 、陶瓷基复合材料( c e r 锄i c m a t r i x c o m p o s i t e s ，简称c m c ) 和聚合物基复合材料( p o l y m e r m a t r i xc o m p o s i t e s 简称 p m c l 【。 会属基复合材料m m c 足以金属、合会或会属间化合物为基体，含有增强成 分的复合材料。金属基复合材料比高聚物基复合材料耐高温性能有所提高，同 时具有弹性模量高、韧性与耐冲击性好、对温度改变的敏感性很小、较高的导 电性和导热性，以及无高分子复合材料常见的老化现象等特点。会属基复合材 料m m c 导电导热性能一般来说要优于陶瓷基复合材料c m c ，因此会属基复合材 料m m c 近来发展迅速，成为用于宇航、航空等尖端科技的理想结构材料。 会属皋复合材料m m c 按照增强体类型可以分为三类：颗粒增强m m c ， 短纤维或晶须增强m m c ，连续纤维增强m m c l 2 4 j ，如表卜1 所示。 金属基复合材料能实现性能的独特组合，可在一定范围内连续变化，既保 留了原来材料的性能，又克服了原有组分材料的不足，并显示出某些新的性能。 目前广泛使用的基体有f e 、t i 、c u 、a l 、m g 等以及某些会属问化合物。金属基 复合材料的比强度、比刚度，耐高温、导电、导热等性能与基体密切相天。 北京t 、i k 大学r 学硕l ：学位论义 表卜1 金属基复合材料的主要增强类型 t h b l e1 1m a j o re n h a n c e m e n t st y p e so fm e t a l l i cm a t r i xc o m p o s i t e s 几种常见金属基复合材料： ( 1 ) 锚基复合材料 铝皋复合材料具有质量轻、导热系数高、摩擦系数高和耐磨性好的优点，用 它制成的汽车刹车盘可使质量比原铸铁件减轻5 0 6 0 ，同时刹车距离缩短【5 1 。 由于导热系数的提高，在刹车过程中产生的大量热量能够更快地传导出去，使 抗热震性提高。摩托车轮毂的试车结果表明，摩擦系数提高1 0 1 5 ，制动力 矩提高1 6 7 ，缩短了刹车距离，并使制动性能稳定。美、日、印度等国开发出 的s i c p a l 复合材料具有较高的比强度、比刚度、弹性模量、耐磨性和低的热膨 胀系数，制造成本低，可用传统的会属加工工艺加一 。町用于活塞、连杆和缸 套等汽车内燃机零部件，并且在航空航天、军事领域及汽车、电子仪表等行业 中显示出了巨大的应用潜力【酬。 ( 2 ) 镁基复合材料 镁合会基体中分布着强度、硬度都较高的陶瓷增强体时，增强颗粒在磨损 过程中将起到支撑载荷的作用，减少镁合金基体的粘着磨损，使m g 基复合材料 具有优良的耐磨性。采用熔模铸造和挤压铸造的石翠( 非连续和连续) 增强镁合金 复合材料町应用于航空航天、飞机和汽车工业，如转缸式发动机连杆等。碳化 硼颗粒增强m g l i 合会复合材料可用来减轻国防工业的宇航部件和宇航电子器 件的重量。d o w 化学公司和c l a u s t h a l 工业大学用a 1 2 0 3 颗粒增强m g 基复合材料制 造许多耐磨件如皮带轮、链轮、油泉盖等。美国的n a v a l 研究机构和s t a n f o r d 大学 丌发出b 4 c 颗粒增强m g l i 合金复合材料，用其可制造天线i7 1 。 ( 3 ) 钛基复合材料 a l 、m g 基复合材料只能在低于4 5 0 使用，在发动机、特别是燃气轮机中需 要的是耐热结构材料，工作温度在6 5 0 1 2 0 0 左右，要求复合材料零件在高温 下连续安令工作，应有良好的抗氧化、抗蠕变、耐疲劳和良好的高温力学性能。 钛笨复合材料町以应用于高温环境中。钛基复合材料主要分为两大类：连续纤 第l 章绪论 维增强钛皋复合材料和颗粒增强钛基复合材料。中期研究的主要领域是以碳化 硅纤维增强的钛基复合材料，它叮以显著提高材料的机械性能，但是价格昂贵、 加工工艺复杂，并且各向异性，这几个因素决定了连续纤维增强钛基复合材料 应用于民用领域足非常困难的。凶而，近年来具有各向同性、易于加工、成本 较低等优点的颗粒增强钛基复合材料引起了人们更多的关注。美国d y n a m e t 公司 开发的c e r m e t i 系列t i c 6 t i a 卜4 v 复合材料，用作球形火箭壳、导弹尾翼和匕机 发动机零件：同本住友金属工业公司丌发的t i c 颗粒弥散增强 t i 一5 7 a 卜3 5 v l l c r 复合材料，用作发动机进气阀、海水泵轴承、造纸辊、电池 用模具以及滑动部件。日本本田汽车研究中心利用粉木冶金二 艺制备出 t i b t i 一4 3 f e 一7 m o 一1 4 a 卜1 4 v 复合材料，制成了汽车发动机的阀门以及连杆的 近成型件等【8 ，们。 ( 4 ) c u 基复合材料 铜在熔点1 0 8 3 以下是典型的面心立方( f c c ) 晶体结构，具有良好的塑性变 形能力和优良的导电、导热性能及抗腐蚀性。由f 铜及其合金具有良好的综合 力学、物理性能( 如表卜2 所示) 【i o 1 1j ，而且价格适中，冈而在各个领域得到了广 泛应用，尤其作为导电、导热等功能材料在电子、电器等方面有着不町脊代的 地位。 表卜2 铜的基本性能 t a b l e1 2b a s i cp e r f o r m a n c eo fc o p p e r 北京t q k 大! # i 顺 ： 口论文 向铜基体材料中加入高强度的纤维、颗粒等增强体，制备出纤维增强铜基 复合材料或颗粒增强铜基复合材料，不但可保持铜的良好导电、导热、耐腐蚀、 抗强磁场、可焊、可塑、冲击韧性等性能，又能改善材料的强度、抗磨性能和 高温抗蠕变性能，町以充分发挥复合材料的复合效应的优越性。根据加入的增 强体形态小同，可以分为纤维增强铜基复合材料和颗粒增强铜基复合材料。 ( 1 ) 纤维增强铜基复合材料 铜或铜合会与非金属或会属纤维制造的复合材料既保持了铜的高导电性、 高导热性，义具有高强度与耐高温的性能。美国n a s a l e w i s 研究中心【1 2 】开发的 一种含有1 0 v 0 1 钨丝的铜基复合材料，用于火箭发动机的深冷推力室内衬材料。 该复合材料的高温性能和高的热传导率将改善内衬墙的强度，其强度比原有铜 合会提高9 0 以卜，导热率仅下降4 ，延长了使用寿命，提高了可靠性。碳纤 维铜复合材料既具有铜的良好导热、导电性，又有碳纤维的自润滑、抗磨损、 低热膨胀系数等特点，可用于滑动电触头材料、电刷、电力半导体支撑电极， 集成电路散热板等方面。如集成电路的绝热板( a 1 2 0 3 材料) 里面固定着散热板【1 3 1 ， 一般用高热传导材料制作，但是它与绝热板的热膨胀系数差别大，易弯曲，使 绝热板断裂。而碳纤维铜复合材料热膨胀系数随碳纤维含量、分布方式的变化 具有一定规律性，即碳纤维铜复合材料的热膨胀系数在很大范围内是可以调节 的。若通过调节碳纤维含量及分布方式，使碳纤维铜复合材料的热膨胀系数接 近a 12 0 3 ，这样制成的绝热板就不易断裂。 ( 2 ) 颗粒增强铜基复合材料 尽管纤维强化的铜基复合材料某螳方面的性能优于颗粒增强铜基复合材 料，但由于价格贵、各向异性而未得到广泛应用。颗粒增强铜基复合材料则以 成本低廉，各向同性的优点，并能够克服纤维增强复合材料生产过程中存在的 诸如纤维损坏，微观组织不均匀，纤维与纤维相互接触，反应带过大等缺点， 引起了人们越来越多的重视。 颗粒增强铜基复合材料是指在铜基体中通过一定的工艺方法牛成均匀分布 的第二相粒子。第二相粒子阻碍了位错运动，从而提高了材料的强度，如 a 12 0 3 c u 复合材料、t i c c u 复合材料等。第二相粒子在铜基复合材料中通常主 要以两种形式分布：( 1 ) 在晶粒内部弥散分布；( 2 ) 在晶界上聚集分布。颗粒增强 铜基复合材料的力学性能主要取决于铜基体、增强体的性能以及增强体与基体 之j 、l l j 界面的结合情况，当然也与工艺( 如加工方式、加工条件) 有火，同时还与增 强体的含量、粒度和分布、形态有直接关系。颗粒增强体的加入可以通过对基 体的显微组织，如亚结构、位错组态、晶粒尺寸及材料密度等的改变，改善和弥 补皋体性能上的某些不足，如提高弹性模量、强度、硬度和耐磨性等。湛永钟等 人1 1 4j 用冷压一烧结一热挤压工艺制备了s i c p c u 复合材料干磨损试验结果表明，随 第1 尊绪论 着s i c 含量的提高，复合材料具有更高的耐磨性；s i c 颗粒增强物的加入减小了材 料的粘着磨损，使复合材料在高载荷条件下具有更为优越的耐磨性。s i c 体积分 数不超过1 5 的铜基复合材料具有比铬锆铜合金更高的导电、导热性能和耐磨 性。 1 1 2ai2 0 3 c u 复合材料 许多应用领域要求所用材料高导电性及高强度兼备。例如为了产生高的脉 冲磁场，要求所用导体材料不仅要有低的电阻率以降低热效应，同时还要具有 足够的强度来承受