粉末室霍静层状三元陶瓷增强金属铜复合材料的研究.doc

课题编号：中国钢研科技集团有限公司科技基金课题立项申请书课题名称：层状三元陶瓷增强金属铜复合材料的研究与应用承担单位：粉末冶金研究室课题申请人（负责人）：霍静申请课题起止年限：2011年7月2013年6月中国钢研科技集团有限公司2011年4月28日一、 立项背景分析及申请立项的理由金属铜具有优异的导电、导热、耐腐蚀、易延展等性能，因此被广泛应用在电力电子、机械制造等领域。但金属铜的强度、硬度较低，耐热性和耐磨性差，限制了它的使用条件和寿命。一般来讲，传统铜合金的强度和导电性是一对矛盾，提高强度将导致导电性的下降。为了能在不过多牺牲导电性和导热性的前提下改善铜的力学性能，一般铜的强化有两种思路：一是固溶强化，但是由于在高温下金属将发生再结晶、第二相粗化和溶解，因此像加工硬化、析出硬化等常规方法均难以奏效，固溶强化又会大大降低材料的导电率；二是引入第二相进行强化，形成铜基复合材料，其设计原理是根据材料性能的要求，选用适当的增强相(一种或多种)，在保持铜基体高导电性的同时，充分发挥强化相的增强作用及二者的协同作用，使得材料的导电性与基体强度达到良好的匹配。具有层状结构的三元陶瓷是一种结构功能合一的新型材料，这类化合物可以用统一的分子式Mn+1AXn来表示，这里M一般为过渡元素，A为，主族中的某些元素，X为C或N，n=1，2，3。根据n的不同取值，习惯上又将n=1、2或3的Mn+lAXn相化合物分别称之为211相、312相或413相。紧密堆积的所有Mn+1AXn相化合物都具有层状的晶体结构，属六方晶系，空间群为D46h-P63/mmc。从图1中可以看到，紧密堆积的过渡金属八面体层被一平面层A族原子所分隔，过渡金属八面体中心为碳原子或氮原子。其不同之处在于，n=1时每三层中有一层A族原子，n=2时每四层中有一层A族原子，共棱的过渡金属八面体层M6X被平层的A族原子所分离，而n=3时每五层中才有一层A族原子。在它们的结构中，过渡金属原子与碳或氮原子图1 Mn+1AXn相结构简图图2 已知的Mn+1AXn相化合物之间的结合为强共价键，而过渡金属原子与A族平面之间为弱结合，类似于层状石墨，层间为范德华力结合。由于它们的原子结合方式既有共价键、离子键又有金属键，因而兼有金属和陶瓷的性质，如类似金属的导热、导电性、抗热震性和可加工性，类似陶瓷的抗氧化性、耐腐蚀性和耐高温性；特别地，具有非同寻常的耐磨性和自润滑性。因此，在许多领域具有重要的应用价值。将Mn+1AXn作为陶瓷增强相加入金属中同样具有很大的优势，这也为进一步扩大Mn+1AXn相层状三元陶瓷的应用范围提供了方向。铜及其合金作为最优良的导电导热材料之一，因强度、耐磨性等机械性能与其导电导热性难以兼顾的矛盾，极大地限制了其在许多高技术领域的应用。因此，将Mn+1AXn相层状三元陶瓷与金属铜结合起来，制备的层状三元陶瓷增强金属铜复合材料可望具备高强度、高导电性和高导热性，同时还可能具有良好的抗电弧侵蚀、抗冲击性和抗磨损能力，可用于制造高性能的轴瓦、轴承套、触头材料、抗穿甲防护外壳以及高速列车受电弓滑板等构件。因此，开发层状结构三元陶瓷增强铜复合材料，具有广阔的应用前景，经济和社会效益显著。目前，Mn+1AXn相层状三元陶瓷材料及其复合材料已有一定的基础研究。北京交通大学翟洪祥等进行了高速列车受电弓滑板用Ti3SiC2系材料的制备及性能研究以及铜/钛铝碳复合材料的研究；吉林大学贾树胜等进行了Ti3AlC2可加工导电陶瓷及其铜基复合材料的研制。但是，目前该类材料研究不能很好地解决陶瓷增强相在金属铜中的弥散分布问题，从而影响了材料的性能，限制了其应用。钢铁研究总院在粉末冶金及材料复合工艺方面积累了丰富的经验，设备齐全。通过预研工作，已经掌握了Mn+1AXn相层状三元陶瓷材料的合成及纯化技术，并且熟悉弥散强化工艺，因此，通过对本课题的研究，可加快层状三元陶瓷增强金属铜复合材料的开发速度。二、 课题总体目标层状三元陶瓷增强金属铜复合材料可望具备高强度、高导电性、高导热性及其高抗电弧侵蚀、抗冲击性和抗磨损能力，同时还可能具有良好的自润滑性和可加工性，因此具有广泛的应用前景。本项目拟采用层状三元陶瓷的纯化技术、陶瓷增强相在金属铜中的弥散分布研究、不同复配比例的复合工艺研究、制备工艺参数优化以及后处理等技术方案，研制出具有较高强度、导电性、导热性、耐磨性和自润滑性能的新型复合材料，并开发其在高温自润滑轴承、触头材料及高速列车受电弓滑板上的应用。三、 课题主要研究内容、技术路线及创新性1、Mn+1AXn相三元陶瓷粉体材料的纯化技术； 高纯度Mn+1AXn相陶瓷粉体材料是制备层状三元陶瓷增强金属铜复合材料的物质基础，本课题拟研究Cr2AlC、Ti3AlC2、Ti3SiC2等层状三元陶瓷粉体的纯化技术。2、复合材料的制备工艺研究； 本课题拟通过陶瓷增强相在金属铜中的弥散强化工艺制备层状三元陶瓷增强金属铜复合材料。3、不同复配比例复合材料的性能测试与表征技术研究；层状三元陶瓷增强金属铜复合材料是由兼有金属和陶瓷性质的“Mn+1AXn”相的三元陶瓷来增强金属铜，在保持铜基体高导电性、导热性的同时，充分发挥强化相的增强作用及二者的协同作用，使得材料的导电性、导热性与基体强度达到良好的匹配。因此研究不同复配比复合材料的性能测试和表征，对材料优化具有重要的指导意义。4、层状三元陶瓷增强金属铜复合材料的应用研究。开发层状三元陶瓷增强金属铜复合材料在触头材料、高速列车受电弓滑板、以及自润滑材料上的应用，形成具有自主知识产权的技术与产品体系，具有广阔的市场前景和显著的经济和社会效益。技术路线Mn+1AXn制备纯化处理粉体复合分球磨混合Cu粉成形压制烧结加压烧结后处理复合材料后处理创新性独特层状结构三元陶瓷与金属铜的复合，保持了铜的高导电导热性的同时，不仅提高了材料的力学性能，而且能够实现抗氧化性、耐腐蚀性、耐高温性以及耐磨性和自润滑性等综合性能的提高。与石墨系自润滑材料、滑动触头材料相比，层状三元陶瓷增强金属铜复合材料具有更高的强度和抗氧化性能。与目前已有的铜基自润滑材料相比，具备更高的强度、更好的自润滑、导热及抗热振性能。四、 课题考核指标1、Cr2AlC、Ti3AlC2、Ti3SiC2层状三元陶瓷粉体的纯化，使纯度（wt.%）大于97%。2、形成层状三元陶瓷增强金属铜复合材料的弥散强化工艺。3、层状三元陶瓷增强金属铜复合材料抗弯强度800MPa，对低碳钢的摩擦系数0.2。4、申请相关发明专利1-2项。五、 工作计划进度安排（以项目正式启动时间为起点）：2011年7月2012年3月Cr2AlC、Ti3AlC2、Ti3SiC2层状三元陶瓷粉体的纯化。2012年4月2012年10月层状三元陶瓷增强金属铜复合材料弥散强化工艺研究及其不同复配比例复合材料的性能测试与表征。2012年11月2013年6月层状三元陶瓷增强金属铜复合材料的应用研究。六、 已有研究工作基础及本次立项与以往研究工作接续情况分析本课题组长期进行粉末冶金、金属陶瓷等的研究及开发工作，曾为国内众多大中型企、事业单位提供产品及技术支持。从研究团队来看，拥有材料、化学化工、冶金、机械设计等多学科专业人才。其中博士1人，硕士6人等。不仅具备丰富的理论知识和实践经验，而且具有思维活跃、善于创新的特点。同时，本课题组人员一直进行国内外有关粉末冶金、金属陶瓷研究及应用的技术跟踪，具备开展课题研究的各项软、硬件基础。本课题组通过前期研究工作，在探索Ti3AlC2、Ti3SiC2层状三元陶瓷粉体纯化技术后，解决了抑制杂质相生成、提高陶瓷粉体纯度等难题，在此基础上研究了三元陶瓷粉体与金属铜粉的润湿性以及陶瓷增强相在金属铜中的弥散强化。课题组多年来一直从事自润滑轴承产品的研制，并且开拓了一定的市场，生产的固体自润滑轴承已应用在连铸及轧钢生产线炉前输送辊道上，目前已形成20多种规格固体自润滑轴承产品的批量生产能力，实现在宝钢、本钢、石钢、邯钢、长钢、建龙钢铁等多家钢铁企业连铸连轧生产线上试用或使用，受到客户好评。开发新型层状三元陶瓷增强金属铜复合材料，可实现更好的材料替代，以满足高温辊道、结晶器足棍等既要求耐高温，又需具备自润滑、导热、抗热振性的要求。课题组承担的自润滑材料项目为高纳公司的上市项目，设备装备齐全，500吨压机为较大尺寸构件的成型创造了条件，同时还拥有多套烧结设备，包括热压烧结、微波烧结等设备，可以进行烧结工艺研究。并有数控车床、数控磨床等机床设备，可以进行预烧及烧结后产品的机加工。课题组还与北车集团就高速列车受电弓滑板材料达成了初步合作意向。受电弓滑板是电力高速机车从接触网线获取电力的关键部件，滑板安装在受电弓的最上部，列车运行时，滑板与接触网线滑动接触承受200-300A的负载电流，表面滑动摩擦，承受网线支点的撞击和大自然风、雪、雨、霜的侵袭，特别是瞬时离线高压电弧的灼伤等苛刻服役条件，由上述滑板的服役工况条件可知，滑板材料必须具备良好的减摩和润滑性能；小的电阻率；良好的耐热和耐电弧性能；足够的抗冲击性能等。目前，国内滑板的研究和应用经历了铜滑板、碳滑板、普通粉末冶金滑板等，当前使用的是引进德国ICE开发生产的碳基浸铜滑板，强度和耐腐蚀性能也不够理想，容易断裂，而且进口价格相当昂贵。因此，研究新型受电工滑板材料是发展高铁的迫切需要。七、 经费概算及来源课题总概算数60（万元）。其中：申请额30（万元）； 自筹30（万元）八、 课题组成员及分工序号姓名年龄职称/职务工作分工1霍静32工程师项目负责人2丁存光27助理工程师材料制备3李红印32工程师材料制备4李楠28助理工程师材料制备5姜丽娟34助理工程师性能测试6任勃32工程师应用研究7李一43高级工程师工艺设计九、 所在单位意见层状结构三元陶瓷增强金属铜复合材料可望具备高强度、高导电性、高导热性及其高抗电弧侵蚀、抗冲击性和抗磨损能力，同时还可能具有良好的自润滑性和可加工性，