内氧化法制备ZrO2/Cu复合材料的研究

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随着工业的发展,对于要求高导电,高导热,高强度的技术指标越来越高,普通的Cu合金已不能满足需求。以第二相颗粒弥散强化的铜基复合材料具有高导电率的同时,亦具备高的软化温度及强度,其中以Al2O3/Cu复合材料为代表的铜基复合材料是目前应用最为成熟及广泛的一类产品,但是由于金属Al化学性质的两向性,导致复合材料在制备过程中残留偏铝酸盐类物质,这一方面影响了Al2O3与基体的结合强度;另一方面,偏铝酸盐在高温下易分解,从而影响了该材料在电真空管等器件中的安全使用。为弥补Al2O3/Cu复合材料存在的不足,本文尝试用金属活性极高的Zr替代Al制备弥散强化铜,Zr氧化后生成ZrO2,属碱性氧化物,不易与铜生成盐类化合物,这样便能避免上述情况。本文分别采用了常规水雾化工艺和改进后的水雾化工艺制备Cu-Zr合金粉末,通过对两种工艺制备得到的合金粉末进行了分析对比。结果表明:常规雾化工艺制备的合金粉末中Zr含量极低,改进工艺制备得到了Cu-0.6%Zr的合金粉末;但Cu-0.6%Zr合金粉末的松装密度及流动性较前者的差。对Cu-Zr合金粉末的内氧化热力学及动力学进行了理论研究,得出了内氧化时的上限氧分压及理想条件下内氧化所需的时间。下限氧分压不仅与T有关,而且与Zr含量有关,其大小要高于纯Zr氧化/无氧化的PΟ2门槛值,尽管如此,择优氧化的下限PΟ2仍然是很低的,所以其在具体的内氧化控制中意义不大。颗粒半径R及Zr浓度一定的情况下,内氧化的温度是决定内氧化时间的主要控制参数。对经过-200目筛分的Cu-0.6%Zr合金粉末进行了内氧化工艺研究,得到了一套内氧化法制备工艺。在研究氧化参数时:温度过低,氧化速度慢;温度过高易发生过氧化和粉末结块现象。还原气体流量为200ml/min的N2+5%H2还原条件下,由烧氢实验确定最佳还原参数。对内氧化处理后的粉末进行真空SPS成型,得到了优化的烧结参数:30MPa、850℃×2h。在优化的烧结参数下烧结得到的试样的相对导电率为83.10%IACS(InternationalAnnealed Copper Standard),HB为76,软化温度达到900℃。采用SEM、EDS对烧结试样进行表征,采用XRD对试样经过硝酸萃取后的残留物进行了表征分析。经过发现,所制备试样中的增强相为ZrO2,其在基体中呈弥散分布,因此,可知经过内氧化处理后的烧结试样为ZrO2/Cu复合材料。本文对水雾化制备Cu-Zr合金粉末工艺,Cu-Zr合金粉末内氧化工艺进行了研究。为进一步研究内氧化法制备ZrO2/Cu复合材料提供了研究思路及实验依据。
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