Ti2SnC增强铜基复合材料的制备及性能研究

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铜基复合材料因其优良的导电性、导热性、高强度和耐高温性能被广泛应用于集成电路的引线框架、电力机车的受电弓、电刷、触头材料等方面。一般来说,增强相的添加会提高某些机械性能,但降低其导电率,因此需要选择具有良好的导电性的增强相。Ti2SnC是一种三元层状导电陶瓷,良好的导电导热性能、高弹性模量、自润滑性能、耐化学腐蚀及加工性,是理想的铜基复合材料的增强相。本实验采用液固反应法制备出纯度较高的Ti2SnC增强体,然后用直热法粉末烧结技术制备Ti2SnC/Cu复合材料,并研究增强相Ti2SnC的粒径、添加量、烧结温度、压制压力、保温时间等参数对Ti2SnC/Cu复合材料的致密度、硬度、导电率、抗拉强度、延伸率等性能的影响。本文采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)来观察复合材料的微观组织和成分,进而选择出最佳的粒径和添加含量。为确定Ti2SnC/Cu复合材料最佳制备工艺参数,进行四因素三水平的正交试验,并作极差分析,复合材料的导电率与抗拉强度作为指标,发现影响导电率的因素主次:粒径大小>保温时间>添加量>成型压力,获得最佳导电率的参数是粒径2μm、保温30min、添加含量为8wt%、压力为45MPa;影响抗拉强度的因素:添加量>粒径大小>保温时间>压力,获得最佳抗拉强度的参数是添加含量为8wt%、粒径大小为2μm、保温时间为60min、压力45MPa。为进一步探究各个因素对复合材料性能的影响,进行了单因素试验。当Ti2SnC的质量分数为5%时,综合性能最优,致密度和导电率分别达到94%、39%IACS,抗拉强度248MPa,硬度为88.7HBS。探究不同保温时间(30min、45min、60min)对Ti2SnC/Cu复合材料的性能影响时,发现当保温时间为60min时,复合材料的导电率最高为30%IACS,而抗冲击韧性和布氏硬度呈完全相反的变化趋势。Ti2SnC颗粒大小对复合材料导电率和力学性能有较大的影响,当Ti2SnC粒径为10μm时导电率最高为37%IACS。在烧结过程中所施加的压力有助于孔隙的减少和裂纹的愈合,当压力为55MPa时,导电率达到44.7%IACS,致密度为94.9%,所以随着压力的增大致密度升高,导电率也随着升高。为进一步优化复合材料的组织和性能,对导电性能和抗拉强度性能最优的5号样(10μm、5wt%、45MPa、30min)、9号样(2μm、8wt%、55MPa、30min)、16号试样和18号试样进行轧制试验。5号和9号试样的极限压下量为40%,5号样轧制后的导电率由32.8%IACS增加到40%IACS,提高了25.5%,致密度由93.8%提高到96.8%;9号样轧制后的导电率为48.2%IACS,提高了7.8%。致密度由94.9%提高到98.8%导电率也由轧制前的44.7%IACS增大至48.2%IACS,提高了7.8%。5号试样的硬度轧制前88.5HBS,轧制退火后提升61%增高到到142.3HBS,9号试样的硬度提升31%达到152.6HBS。16号试样和18号试样的压下量为25%,经过轧制工艺后,两个试样的导电率也均得到提高。16号试样的导电率提高了10.6%,为21.9%IACS;18号的导电率提升了34%达到27.15%IACS。16号试样和18号试样的硬度也分别提高了23%、43%。
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