Cu/Ti3SiC2/Cf复合材料组织及性能研究

论文摘要

碳纤维（Cf）具有高比强度、高比模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、导热、热膨胀系数小和优良的自润滑性和减摩性能等一系列优异的性能,这些性能使其成为近年来最重要的增强材料之一。碳纤维增强铜基复合材料的电导热导率高,具有自润滑和抗电弧侵蚀等优异性能,是一类很有发展前途的功能复合材料。新型层状陶瓷材料Ti3SiC2集金属和陶瓷的优良性能于一身,如低密度、高熔点、良好的导电导热性、高弹性模量、高断裂韧性、耐氧化、耐热震、易加工等。更有意义的是它具有超低的摩擦系数和优良的自润滑性能。Ti3SiC2对于Cu是一种有效的陶瓷增强相。因此在铜基体中引入一部分Ti3SiC2,可以起到弥散强化的作用,使复合材料具有更加优异的性能。本论文通过电镀和化学镀来解决碳纤维、Ti3SiC2与铜基体的润湿性和均匀分布问题,将Cf强化Cu与Ti3SiC2弥散强化Cu结合,采用泥浆挤压法和热压烧结制备出Cu/Ti3SiC2/Cf复合材料。该材料将综合Cf、Cu和Ti3SiC2的优良性能,从而成为一种值得研究的新型铜基功能复合材料。本文开展烧结温度对复合材料性能影响的研究,考察了烧结温度对材料界面的影响。在烧结温度高于900℃时,铜和Ti3SiC2的反应源于Si和Cu的相互扩散,两者的相对含量是决定界面处生成物质的主要因素,Ti3SiC2含量较低时,界面处随着烧结温度升高,Ti3SiC2中的Si溶入铜中,形成Cu（Si）固溶体;由于Si在Cu中的固溶度只有8%,所以在Ti3SiC2含量高于50%时,多余的Si则与铜反应生成金属间化合物,如Cu5Si、Cu15Si4,以及（Cu,Si）η’相。随着反应进行,Ti3SiC2含量减少,TiC含量增多;研究发现随着温度的升高,材料的密度、致密度、硬度和电阻率都变大;研究发现复合材料的最佳烧结温度为800℃～850℃。在烧结温度为850℃时,制备不同纤维含量的Cu/Ti3SiC2/Cf复合材料,研究了纤维含量对复合材料的密度致密度、电阻率、硬度、拉伸强度、弯曲强度和抗压强度的影响;研究发现,随着纤维含量的增加,材料的密度致密度下降,电阻率上升,硬度在纤维含量为8%时达到最大,为130MPa,拉伸强度、弯曲强度和抗压强度在纤维体积含量为6%时达到最大,分别为215MPa、421MPa和623MPa,之后出现下降。通过SEM分析了复合材料的显微结构,探讨了Cu/Ti3SiC2/Cf复合材料的增强机理和断裂机制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 铜基复合材料概述
• 1.2 铜基复合材料的分类
• 1.3 碳纤维增强铜基复合材料
• 1.3.1 碳纤维增强铜基复合材料概述
• 1.3.2 碳纤维增强铜基复合的研究进展
• 1.3.3 碳纤维增强铜基复合材料的制备工艺
• 1.3.4 碳纤维增强铜基复合材料的性能及应用
• 1.3.4.1 性能
• 1.3.4.2 应用
• 1.4 颗粒弥散强化铜基复合材料
• 1.4.1 颗粒弥散增强铜基复合材料概述
• 1.4.2 弥散强化原理
• 1.4.3 弥散强化相的选择
• 1.4.4 弥散强化铜基复合材料的制备方法
• 1.5 本课题的研究意义及内容
• 3SiC₂/C_f复合材料的制备'>第2章 Cu/Ti₃SiC₂/C_f复合材料的制备
• 2.1 实验原料及设备
• 2.1.1 实验原材料
• 2.1.2 材料制备所用设备
• 3SiC₂材料的结构、性能及制备方法'>2.2 Ti₃SiC₂材料的结构、性能及制备方法
• 3SiC₂材料的结构、性能'>2.2.1 Ti₃SiC₂材料的结构、性能
• 3SiC₂材料的制备方法'>2.2.2 Ti₃SiC₂材料的制备方法
• 2.3 碳纤维表面镀铜
• 2.3.1 碳纤维的表面处理
• 2.3.2 碳纤维表面镀铜
• 2.3.2.1 电镀过程
• 2.3.2.2 工艺条件的影响
• 3S_iC₂表面化学镀铜'>2.4 Ti₃S_iC₂表面化学镀铜
• 3SiC₂表面化学镀铜工艺'>2.4.1 Ti₃SiC₂表面化学镀铜工艺
• 2.4.2 工艺条件的影响
• 2.5 复合材料制备
• 2.5.1 烧结粉料的制备
• 2.5.2 热压烧结法制备复合材料
• 2.5.2.1 热压烧结原理和特点
• 2.5.2.2 烧结工艺制度
• 2.6 复合材料表面显微形貌
• 2.7 本章小结
• 3SiC₂/C_f复合材料的界面研究'>第3章 Cu/Ti₃SiC₂/C_f复合材料的界面研究
• 3.1 金属基复合材料界面概述
• 3.2 金属基复合材料的界面反应
• 3.3 金属基复合材料界面优化及界面反应控制的途径
• 3.3.1 纤维、颗粒等增强物的表面涂层处理
• 3.3.2 金属基体合金化
• 3.3.3 优化制备工艺和参数
• 3SiC₂/C_f复合材料界面的研究'>3.4 Cu/Ti₃SiC₂/C_f复合材料界面的研究
• 3.4.1 材料制备
• 3.4.2 温度对复合材料相组成的影响
• 3.4.3 温度对材料界面性质的影响
• 3.5 温度对复合材料性能的影响
• 3.5.1 密度、致密度
• 3.5.2 布氏硬度
• 3.5.3 电阻率
• 3.6 本章小结
• 3SiC₂/C_f复合材料的性能研究'>第4章 Cu/Ti₃SiC₂/C_f复合材料的性能研究
• 4.1 试验方法
• 4.1.1 材料的制备
• 4.1.2 材料测试
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 密度、致密度
• 4.2.1.1 碳纤维含量对密度、致密度的影响
• 3SiC₂含量对材料密度、致密度的影响'>4.2.1.2 Ti₃SiC₂含量对材料密度、致密度的影响
• 4.2.2 电性能
• 4.2.2.1 纤维含量对复合材料电阻率的影响
• 3SiC₂含量对复合材料电阻率的影响'>4.2.2.2 Ti₃SiC₂含量对复合材料电阻率的影响
• 4.2.3 力学性能
• 4.2.3.1 硬度
• 4.2.3.2 拉伸强度
• 4.2.3.3 弯曲强度
• 4.2.3.4 压缩强度
• 4.2.4 增强机理
• 3SiC₂颗粒增强机理'>4.2.4.1 Ti₃SiC₂颗粒增强机理
• 4.2.4.2 碳纤维增强机理
• 4.3 本章小结
• 第5章 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 附录:攻读硕士研究生期间发表的论文