高强度高电导率铜基非晶合金复合材料的制备与性能研究

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高强度高电导率材料是一类具备优良电性能和机械性能的结构功能材料,在电力电子、机械和冶金等领域有着颇为广泛的应用,是能源、电子等产业发展的关键材料。本文使用Cu50Zr43Al7非晶合金作为基体材料,通过化学镀铜和掺杂工艺,使用放电等离子烧结(SPS)制备复合材料块体试样,提高导电性和韧塑性,获得了兼具高强度和高电导率要求的新型非晶合金复合材料。不同于传统铜基复合材料,本文使用高强度非晶合金粉末作为出发材料。并提出了采用非晶合金/结晶金属Cu复合粉末烧结成形制备结构功能材料的工艺路线。通过氩气雾化法制备了非晶合金粉末,并通过XRD、DSC等手段对粉末进行了表征,结果表明成功制备了铜基Cu Zr Al非晶合金粉末。分别在不同温度和压力下使用SPS烧结工艺制备了非晶块体试样,测试了其密度、力学和电导率等性能,并对其SEM形貌、XRD相组成进行了分析。最终发现,当烧结温度为420℃,烧结压力为300 MPa时,块体非晶具有完全非晶结构和最佳的性能。使用化学镀的方法,向非晶合金粉末表面引入晶体Cu,并通过调整非晶合金表面化学镀铜的工艺参数,确定了最佳的非晶合金化学镀铜工艺参数。通过SEM和EDS能谱分析,表征了化学镀铜层厚度和分布均匀性,且未发现Cu2O等副反应产物的生成,表明化学镀过程中未引入杂质粒子。分别向化学镀铜和未化学镀铜的非晶粉末中,添加不同质量分数的铜粉,制备了非晶Cu50Zr43Al7/Cu复合材料。经过性能测试对比,在相同的铜含量的情况下,化学镀铜后非晶和铜粉烧结而成的块体非晶复合材料样品具有较高的导电性和延展性,而压缩强度没有明显变化。当铜含量为40 wt.%时,块体非晶复合材料表现出最佳的综合性能。进而,在添加40 wt.%铜含量的基础上,对非晶粉末粒径对复合材料性能的影响进行了探究。结果表明,当粉末粒径在15μm以下时,所制备的复合材料具有最佳的综合性能,压缩强度可以达到721 MPa,同时具有13%的压缩应变,电导率达到35.02%IACS。通过TEM和EDS分析了非晶/晶体界面处的结合、元素分布和元素互扩散现象。结果表明,所制备的复合材料界面处形成了扩散非晶层和Cu晶体梯度扩散层,并分析了非晶层和扩散层形成的原因。证明了非晶/晶体两相结合不是简单的机械结合,而是产生了扩散现象。
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