液-液原位反应法制备La2O3铜基复合材料及组织性能研究

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稀土氧化物La2O3具备的六方晶系结构,以及独特的外层电子结构对材料综合性能影响巨大,因此其在各领域的研究与应用上受到广泛关注。传统外加法制备的La2O3-Cu基复合材料的增强相主要分布在晶界上,材料变形时易在此处发生应力-应变集中和微裂纹;高应力/应变会使增强相和铜基体结合不稳定,引发颗粒破裂,进而导致材料失效。因此,传统外加法获得的La2O3-Cu基复合材料无法满足塑性变形深加工的需求。本文采用一种液-液原位反应法制备了La2O3-Cu基复合材料,研究和分析了La2O3-Cu复合材料的制备过程中的相关影响因素以及对比液-液原位反应法和外加法制备不同含量La2O3-Cu基复合材料的组织性能。研究结果如下:煅烧温度是La2CuO4粉末制取的关键因素,其最佳值为800℃,在此温度下,前驱体燃烧完全,La2CuO4粉末无明显杂质;在温度为680℃时,La2CuO4粉末可还原为La2O3和Cu的结合体。研究球磨时间对复合粉体的状态的影响发现,球磨30 h时,复合粉体较为细小,增强相La2O3均匀分布在铜粉上;对比不同烧结初压下的复合材料致密度发现,初压为1MPa时,复合材料的致密度最高;La2O3含量为3 vol.%,对比不同SPS烧结温度下的复合材料组织性能发现,烧结温度为800℃时,复合材料致密度最高,达到98.55%,复合材料晶粒最小,硬度最大,达到92.6HV,电导率也最大,为83%IACS。对比液-液原位反应法和外加法制备的不同含量La2O3-Cu基复合材料的致密度、组织、力学性能、电学性能发现:液-液原位反应法制备的La2O3-Cu基复合材料的致密度要高于外加法,均能达到98%以上;液-液原位反应法制备的La2O3-Cu基复合材料的硬度和电导率均高于外加法;随着增强相La2O3含量的增加,复合材料的晶粒明显变小,由于细晶强化,硬度从66 HV提升到107 HV,导电率略有下降。对比两种方法制备的不同含量La2O3-Cu基复合材料的摩擦学性能发现:载荷50 N一定时,随着La2O3含量的增加,复合材料的磨损表面由粗糙变得相对光滑完整,复合材料的耐磨性能提高;La2O3含量一定时,外加载荷越大,复合材料磨损严重,摩擦系数降低。液-液原位反应法制备的La2O3-Cu复合材料的耐磨性高于外加法。在Gleeble-1500D热模拟试验机对不同制备方法制备的3vol.%La2O3-Cu复合材料进行单轴压缩试验,结果为:应力随变形量的增加先快速增加后缓慢增加,最后趋于平稳;应力随应变速率的增大而升高;而随温度的升高,应力则降低;液-液原位反应法制备的La2O3-Cu基复合材料的峰值应力比外加La2O3-Cu基复合材料的要小,其塑性较好。
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