高温自蔓延法制备铜合金及其摩擦学性能研究
目录
1引言 1
1.1 铜基复合材料的现状 1
1.2 铜基复合材料的制备 1
1.3 铜基复合材料的应用 5
1.4 本课题研究的意义 6
2 Al2O3/Cu合金的制备 6
2.1 实验仪器与材料 6
2.2 实验方法及过程 7
2.3 表征手段 9
3组织与结构 9
3.1 SEM分析 9
3.2 XRD分析 10
4 Al2O3/Cu合金的摩擦磨损性能 10
4.1 摩擦磨损实验方法 10
4.2 复合强化对摩擦系数的影响 12
4.3 载荷对Al2O3/Cu铜基复合材料摩擦系数的影响 13
4.4 复合处理对磨损量的影响 14
4.5 磨损机理 17
结 论 21
致 谢 22
参考文献 23
1引言
1.1铜基复合材料的现状
1.1.1铜基复合材料的发展
铜是一种软材料，在常温下呈面心立方晶体结构，拥有不错的导热、导电性能和较好的塑性变形能力。铜的标准电极电位比氢高，它的化学性能稳定，拥有良好的抗腐蚀性。不过虽然铜的很多性能优异，但它的材质比较软，屈服强度较低、耐磨性差，不能满足某些领域的实际应用。铜基复合材料是在铜中加入颗粒、晶须、纤维等高强度材料，它不仅有着铜的良好的导热、导电、耐腐蚀等性能，又改变了铜的强度、耐磨性能和高温抗蠕变性能，因而能达到工业领域有关的应用要求。早在7000多年前在土耳其发现的铜锥子[1]就是铜基复合材料，它是人类目前发现最早的铜基复合材料之一。自20世纪6 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
0年代开始，众多学者已经开始研究铜基复合材料，迄止为今，国内外己经研制和开发了多种新型的铜基复合材料。
1.1.2铜基复合材料的分类
铜基复合材料根据强化方式的不同，可以将其分为纤维增强和颗粒增强两类。在铜基体中引入晶须、纤维、陶瓷颗粒等稳定的第二相，通过多种不同的处理工艺，使第二相以弥散的纤维状或颗粒状分布于在铜基体中，得到不错的导电和力学性能。纤维增强铜基复合材料[2]是指在铜基体中加入定向排列的纤维，进行一系列的工艺处理，产生定向排列的均匀第二相纤维，位错的运动受到纤维的阻碍，这样铜基体就得到了强化。纤维增强铜基复合材料不仅有良好的导热性，高导电性，而且还具有耐高温性能和较高的强度。碳纤维 -铜基复合材料[3]不仅有铜的良好导电、导热性，又有碳纤维的耐磨，低的热膨胀系数，自润滑等特点。颗粒增强铜基复合材料[4]是用铜基体把具有耐热，硬度高但不耐冲击的金属氧化物粘结在一起而形成的复合材料。颗粒增强铜基复合材料既有基体的脆性小、耐冲击的优点，而且有高硬度、高耐热性和良好的抗磨损能力。
1.2 铜基复合材料的制备
铜基复合材料根据增强相的不同的引入方式，可以将制备方法分为反应合成法和非反应合成法。反应合成法是指将的化合物或者一定的合金元素加入到基体中，通过两者之间所产生的化学反应形成颗粒强化，使复合材料获得良好的韧性，增强复合材料的强度，提高了它的抗高温性能。非反应合成法是向铜基体中强化颗粒或者引入纤维，使之弥散分布在铜基体中，位错运动受到了引入的增强相的阻碍，从而提高了复合材料的耐磨性和强度。
1.2.1非反应合成技术
非反应合成铜基复合材料的方法主要有粉末冶金法、机械合金化法、热压烧结法、搅拌铸造法、喷射共沉积法、熔体浸渗法等。
1.2.1.1粉末冶金法
粉末冶金法[5]是开始用来制备颗粒增强金属基复合材料，它的工艺过程是在铜合金中加入增强纤维或者颗粒，然后进行机械混合，在模具中再压制成型，加热烧结，制备出铜基复合材料。闰程科等人用粉末冶金法制备了Ti2SnC/Cu复合材料[6]，它的强度不仅为铜的两倍以上，而且拥有12%的延伸率。
粉末冶金法的制备温度低，不容易出现偏聚和偏析，增强物分布均匀。但和别的制备方法相比粉末冶金法的制备材料容易损伤纤维，工艺过于复杂，成本高，材料的导电率低。
1.2.1.2机械合金化法
机械合金化法[7]是在球磨机中混合外加颗粒与铜基体粉末，通过磨球和料罐之间的挤压，使粉末发生塑性变形，被变形的粉末在之后的球磨过程中又发生冷焊、又一次被破碎，如此反复、混合粉形成了干净的表面，进而达到复合化的目的。因为大量的晶格畸变、位错、晶界等在球磨过程中引入的缺陷，加强了相互扩散，降低了激活能。复合过程的热力学和普通的固态过程不同，这种方法可以制备出常规条件下不能制备的新型亚稳态复合材料。
1.2.1.3热压烧结法
热压烧结法[8]实际上是扩散复合，在较小的塑性变形时，在高温下利用接触部位的原子的相互扩散使纤维和基体金属混合在一起。其中最重要的两个过程是复合体的预制以及热压成型。在热压过程中，增强纤维的间隙之间渐渐的充满铜基体，原子在基体与纤维之间相互扩散，形成铜基复合材料。在烧结过程中，因为是加压烧结，所以在烧结过程中纤维回弹并没有导致密 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
度下降，获得的的铜基复合材料纤维均匀的分布、致密度高、气孔少。
1.2.1.4搅拌铸造法
搅拌铸造法[9]是主要适合于大规模的工业生产颗粒增强铜基复合材料。它的基本原理是在基体金属熔体中直接加入强化相颗粒，通过电磁搅拌等一系列方法使增强颗粒均匀的分散在金属熔体中，然后浇注成型。搅拌铸造法不仅设备简单，生产效率高，和其它的制备金属基复合材料方法相比，它的制造成本较低，只是它们的三分之一到十分之一。
颗粒增强体与基体合金密度不同容易造成颗粒的沉降以及聚集，搅拌过程中搅拌头产生的压力容易使复合材料吸气产生气孔与夹杂。
1.2.1.5喷射共沉积法
喷射共沉积法[10]是用特殊的喷嘴喷出液态的金属铜基体，然后通过惰性气体气流的作用使液态金属汽化，同时将颗粒喷入熔融金属的射流中，混合液体和固体共同沉积到经过处理的衬底上，使液态金属凝固得到颗粒增强铜基复合材料。赵海军[11]等人研究了电沉积铜基自润滑复合材料，在铜盐镀液中加入一种或多种固体润滑微粒，使用复合电沉积工艺让微粒和铜在阴极共同沉淀，进而制备出铜基自润滑复合材料。喷射沉积成型制备的铜基复合材料晶粒细小，没有宏观偏析，铜基体中的颗粒分布均匀，成本低，工艺简单。
1.2.1.6熔体浸渗复合法
熔体浸渗复合法[12]包括挤压铸造和无压浸渗。挤压铸造法的工艺过程是先预制成型陶瓷颗粒增强体，接着将预制体放在模具中，两者一起预热，引入液态金属，使用压力机对金属液面施加压力，使得金属渗透到预制体中并凝固成金属基复合材料。无压浸渗法在真空没有外加压力的情况下熔融金属液自动渗入纤维或颗粒构成的多孔预制体间隙中，改善了待冷却凝性，提高了工艺性能。这种方法灵活且适用范围广，能生产处形状复杂、有着优异性能的铜基复合材料。
1.2.2原位反应复合技术
原位合成颗粒增强铜基复合材料所包括的制备方法：自蔓延高温合成法、液一液反应法、液一固反应法、放热弥散反应法（XD）法、内氧化法。
3 组织与结构
3.1 SEM分析
1引言 1
1.1 铜基复合材料的现状 1
1.2 铜基复合材料的制备 1
1.3 铜基复合材料的应用 5
1.4 本课题研究的意义 6
2 Al2O3/Cu合金的制备 6
2.1 实验仪器与材料 6
2.2 实验方法及过程 7
2.3 表征手段 9
3组织与结构 9
3.1 SEM分析 9
3.2 XRD分析 10
4 Al2O3/Cu合金的摩擦磨损性能 10
4.1 摩擦磨损实验方法 10
4.2 复合强化对摩擦系数的影响 12
4.3 载荷对Al2O3/Cu铜基复合材料摩擦系数的影响 13
4.4 复合处理对磨损量的影响 14
4.5 磨损机理 17
结 论 21
致 谢 22
参考文献 23
1引言
1.1铜基复合材料的现状
1.1.1铜基复合材料的发展
铜是一种软材料，在常温下呈面心立方晶体结构，拥有不错的导热、导电性能和较好的塑性变形能力。铜的标准电极电位比氢高，它的化学性能稳定，拥有良好的抗腐蚀性。不过虽然铜的很多性能优异，但它的材质比较软，屈服强度较低、耐磨性差，不能满足某些领域的实际应用。铜基复合材料是在铜中加入颗粒、晶须、纤维等高强度材料，它不仅有着铜的良好的导热、导电、耐腐蚀等性能，又改变了铜的强度、耐磨性能和高温抗蠕变性能，因而能达到工业领域有关的应用要求。早在7000多年前在土耳其发现的铜锥子[1]就是铜基复合材料，它是人类目前发现最早的铜基复合材料之一。自20世纪6 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
0年代开始，众多学者已经开始研究铜基复合材料，迄止为今，国内外己经研制和开发了多种新型的铜基复合材料。
1.1.2铜基复合材料的分类
铜基复合材料根据强化方式的不同，可以将其分为纤维增强和颗粒增强两类。在铜基体中引入晶须、纤维、陶瓷颗粒等稳定的第二相，通过多种不同的处理工艺，使第二相以弥散的纤维状或颗粒状分布于在铜基体中，得到不错的导电和力学性能。纤维增强铜基复合材料[2]是指在铜基体中加入定向排列的纤维，进行一系列的工艺处理，产生定向排列的均匀第二相纤维，位错的运动受到纤维的阻碍，这样铜基体就得到了强化。纤维增强铜基复合材料不仅有良好的导热性，高导电性，而且还具有耐高温性能和较高的强度。碳纤维 -铜基复合材料[3]不仅有铜的良好导电、导热性，又有碳纤维的耐磨，低的热膨胀系数，自润滑等特点。颗粒增强铜基复合材料[4]是用铜基体把具有耐热，硬度高但不耐冲击的金属氧化物粘结在一起而形成的复合材料。颗粒增强铜基复合材料既有基体的脆性小、耐冲击的优点，而且有高硬度、高耐热性和良好的抗磨损能力。
1.2 铜基复合材料的制备
铜基复合材料根据增强相的不同的引入方式，可以将制备方法分为反应合成法和非反应合成法。反应合成法是指将的化合物或者一定的合金元素加入到基体中，通过两者之间所产生的化学反应形成颗粒强化，使复合材料获得良好的韧性，增强复合材料的强度，提高了它的抗高温性能。非反应合成法是向铜基体中强化颗粒或者引入纤维，使之弥散分布在铜基体中，位错运动受到了引入的增强相的阻碍，从而提高了复合材料的耐磨性和强度。
1.2.1非反应合成技术
非反应合成铜基复合材料的方法主要有粉末冶金法、机械合金化法、热压烧结法、搅拌铸造法、喷射共沉积法、熔体浸渗法等。
1.2.1.1粉末冶金法
粉末冶金法[5]是开始用来制备颗粒增强金属基复合材料，它的工艺过程是在铜合金中加入增强纤维或者颗粒，然后进行机械混合，在模具中再压制成型，加热烧结，制备出铜基复合材料。闰程科等人用粉末冶金法制备了Ti2SnC/Cu复合材料[6]，它的强度不仅为铜的两倍以上，而且拥有12%的延伸率。
粉末冶金法的制备温度低，不容易出现偏聚和偏析，增强物分布均匀。但和别的制备方法相比粉末冶金法的制备材料容易损伤纤维，工艺过于复杂，成本高，材料的导电率低。
1.2.1.2机械合金化法
机械合金化法[7]是在球磨机中混合外加颗粒与铜基体粉末，通过磨球和料罐之间的挤压，使粉末发生塑性变形，被变形的粉末在之后的球磨过程中又发生冷焊、又一次被破碎，如此反复、混合粉形成了干净的表面，进而达到复合化的目的。因为大量的晶格畸变、位错、晶界等在球磨过程中引入的缺陷，加强了相互扩散，降低了激活能。复合过程的热力学和普通的固态过程不同，这种方法可以制备出常规条件下不能制备的新型亚稳态复合材料。
1.2.1.3热压烧结法
热压烧结法[8]实际上是扩散复合，在较小的塑性变形时，在高温下利用接触部位的原子的相互扩散使纤维和基体金属混合在一起。其中最重要的两个过程是复合体的预制以及热压成型。在热压过程中，增强纤维的间隙之间渐渐的充满铜基体，原子在基体与纤维之间相互扩散，形成铜基复合材料。在烧结过程中，因为是加压烧结，所以在烧结过程中纤维回弹并没有导致密 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
度下降，获得的的铜基复合材料纤维均匀的分布、致密度高、气孔少。
1.2.1.4搅拌铸造法
搅拌铸造法[9]是主要适合于大规模的工业生产颗粒增强铜基复合材料。它的基本原理是在基体金属熔体中直接加入强化相颗粒，通过电磁搅拌等一系列方法使增强颗粒均匀的分散在金属熔体中，然后浇注成型。搅拌铸造法不仅设备简单，生产效率高，和其它的制备金属基复合材料方法相比，它的制造成本较低，只是它们的三分之一到十分之一。
颗粒增强体与基体合金密度不同容易造成颗粒的沉降以及聚集，搅拌过程中搅拌头产生的压力容易使复合材料吸气产生气孔与夹杂。
1.2.1.5喷射共沉积法
喷射共沉积法[10]是用特殊的喷嘴喷出液态的金属铜基体，然后通过惰性气体气流的作用使液态金属汽化，同时将颗粒喷入熔融金属的射流中，混合液体和固体共同沉积到经过处理的衬底上，使液态金属凝固得到颗粒增强铜基复合材料。赵海军[11]等人研究了电沉积铜基自润滑复合材料，在铜盐镀液中加入一种或多种固体润滑微粒，使用复合电沉积工艺让微粒和铜在阴极共同沉淀，进而制备出铜基自润滑复合材料。喷射沉积成型制备的铜基复合材料晶粒细小，没有宏观偏析，铜基体中的颗粒分布均匀，成本低，工艺简单。
1.2.1.6熔体浸渗复合法
熔体浸渗复合法[12]包括挤压铸造和无压浸渗。挤压铸造法的工艺过程是先预制成型陶瓷颗粒增强体，接着将预制体放在模具中，两者一起预热，引入液态金属，使用压力机对金属液面施加压力，使得金属渗透到预制体中并凝固成金属基复合材料。无压浸渗法在真空没有外加压力的情况下熔融金属液自动渗入纤维或颗粒构成的多孔预制体间隙中，改善了待冷却凝性，提高了工艺性能。这种方法灵活且适用范围广，能生产处形状复杂、有着优异性能的铜基复合材料。
1.2.2原位反应复合技术
原位合成颗粒增强铜基复合材料所包括的制备方法：自蔓延高温合成法、液一液反应法、液一固反应法、放热弥散反应法（XD）法、内氧化法。
3 组织与结构
3.1 SEM分析
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