铜基/n-AlN功能复合材料的成分、组织及性能研究

论文摘要

高性能铜基功能复合材料在机械、电子、航空航天等高科技领域有广阔的应用前景。颗粒增强铜基功能复合材料可以具备优良的导电、导热及力学性能,所以研究n-AlN颗粒增强铜基功能复合材料具有重要意义。本文采用高能球磨方法制备铜基n-AlN复合粉体;用粉末冶金方法制备铜基n-AlN功能复合材料。采用SEM,HRTEM,XRD,EDS等手段表征复合材料的组织形貌并测定其力学及物理性能,结果表明:CuCrZr/AlN具有良好的导电、导热及力学性能。本文主要进行了以下几个方面的工作:首先优化球磨工艺,分析了高能球磨过程中Cu-AlN、Cu-Zr-AlN、Cu-Cr-Zr-AlN复合粉体的组织结构、形貌的变化规律;在优化的高能球磨工艺条件下,对于铜氮化铝系复合粉体,获得晶粒细小、尺寸分布均匀的没有合金化的复合粉体;对于铜锆氮化铝系、铜锆铬氮化铝系复合粉体,获得晶粒细小、尺寸分布均匀的合金化的复合粉体。球磨后的复合粉体比表面积增大,晶格畸变增大,处于高内能状态。分析了纳米颗粒在球磨过程中的作用并得出延性与硬脆相复合粉体球磨过程的模型示意图。采用粉末冶金工艺制备铜基纳米氮化铝复合材料。系统研究了压力、烧结温度对致密度的影响,优化了复合粉体的致密化工艺。分析了纳米颗粒、孔隙在致密化中的作用。分析了高能球磨对致密化的影响。用SEM,HRTEM,XRD等手段表征组织形貌,发现粉末与烧结坯组织间有“遗传性”。分析锆、铬元素在复合材料中的作用。铜基纳米复合材料CZCA2（CuCrZr/AlN）,在优化的致密化工艺下,材料的抗拉强度为550MPa,抗弯强度401Mpa,软化温度大于700℃。分析了孔隙的属性对力学性能的影响。分析了固溶时效对力学性能的影响及纳米颗粒在热处理过程中的作用。表征了固溶时效过程的组织形貌变化,分析力学性能变化的原因。测定了铜基纳米复合材料的导热系数、导电率。分析了其导热、导电的机理,探讨了纳米颗粒、孔隙对烧结坯体的导热、导电性能的影响。分析了复合材料的导热性能与导电性能之间的关系,计算其洛仑兹值。分析了同溶时效对导热性能、导电性能等的影响,分析了各元素及纳米颗粒在热处理中的行为。选用CZCA2成分,采用工艺:500MPa压制,900℃烧结,后处理为600MPa复压,900℃复烧,制备纳米颗粒强化铜基功能复合材料点焊电极,进行装机实验。结果表明:与商用铸态的Cu-Zr-Cr电极比较,自制电极的寿命提高了20%。用OM、SEM、TEM表征失效的点焊电极的组织形貌,分析了自制电极的失效机制,比较了自制电极与铸态Cu-Cr-Zr电极的组织性能变化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 功能材料
• 1.1.2 功能复合材料
• 1.2 金属功能复合材料
• 1.3 铜（合金）功能复合材料
• 1.3.1 高性能铜基功能复合材料的提出及应用
• 1.3.2 铜基功能复合材料的研究进展
• 1.3.3 铜基复合材料的分类
• 1.3.4 铜基复合材料的强化
• 1.3.5 铜基功能复合材料制备方法
• 1.3.6 铜基复合材料物性研究
• 1.4 课题的研究背景、内容及意义
• 1.4.1 课题的提出
• 1.4.2 课题的研究内容及方案
• 第二章 高能球磨制备铜基/n-AlN复合粉体
• 2.1 引言
• 2.2 实验条件与方法
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 实验设备及方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 球磨工艺参数的优化
• 2.3.2 Cu-xAlN粉末的球磨
• 2.3.3 Cu-xZr-0.1wt%AlN粉末的球磨
• 2.3.4 Cu-xCr-0.5wt%Zr-0.1wt%AlN粉末的球磨
• 2.3.5 复合粉体典型的组织形貌
• 2.4 本章小结
• 第三章 铜基/n-AlN复合粉体致密化与工艺优化
• 3.1 引言
• 3.2 实验条件与方法
• 3.2.1 压制设备及方法
• 3.2.2 烧结设备及方法
• 3.2.3 复合材料密度测试设备及方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 粉末压制与生坯致密度的关系
• 3.3.2 烧结对致密度的影响
• 3.3.3 复压复烧对致密度的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 铜基/n-AlN复合材料组织与力学性能
• 4.1 引言
• 4.2 实验条件与方法
• 4.2.1 弯曲强度测试设备与方法
• 4.2.2 硬度测试设备与方法
• 4.2.3 电子显微观察设备与方法
• 4.2.4 金相组织观察设备与方法
• 4.2.5 抗拉强度测试设备与方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 铜氮化铝系（CA系）
• 4.3.2 铜锆氮化铝系（CZA系）
• 4.3.3 铜锆铬氮化铝系（CZCA系）
• 4.4 本章小结
• 第五章 铜基/n-AlN复合材料的物理性能
• 5.1 引言
• 5.2 试验条件与方法
• 5.2.1 导热性能测试设备及方法
• 5.2.2 导电性能测试设备及方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 纳米相对铜基复合材料导电性能的影响
• 5.3.2 铜基纳米复合材料的导热性能
• 5.3.3 复合材料的导电与导热的关系
• 5.3.4 固溶时效对导热和导电的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 铜基/n-AlN复合材料的焊接性能
• 6.1 引言
• 6.2 试验条件与方法
• 6.2.1 电极头制备
• 6.2.2 焊接母材
• 6.2.3 电阻点焊设备及方法
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 焊接次数对电极轴向长度的影响
• 6.3.2 点焊电极失效机制
• 6.3.3 点焊电极组织性能变化
• 6.4 本章小结
• 第七章 全文总结
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文