铜合金高温抗氧化性的研究

论文摘要

本研究以提高铜的抗氧化性能为研究目的，探讨了低含量合金元素Mg、Al、S、Se和Te对铜高温氧化的影响,并与纯铜的结果进行了对比。通过测量质量的增加来研究氧化动力学变化，采用扫描电镜（SEM）等手段分析了退火后以及氧化后的合金表面和截面形貌并通过EPMA，SIMS等分析方法检测了退火后合金表面附近的元素分布，分析了合金元素对铜高温氧化影响的机理。同时对纳米铜与粗晶铜的高温氧化性能进行了初步研究。研究结果表明，当温度低于600℃时，合金元素Mg、Al、S、Se和Te明显提高铜的抗氧化能力。而当温度高于700℃时，Al的效果较好，但Mg的效果不明显，而S、Se和Te降低了铜的抗氧化能力。Mg和Al提高铜的抗氧化能力主要是由于退火过程中分别生成的MgO和Al2O3氧化膜阻碍了Cu和O的扩散。对于S、Se和Te的情形，低温抗氧化能力得到提高的主要原因是因为这些元素在氧化物/铜界面聚集并阻碍了晶界扩散，而高温下抗氧化性能被降低的主要原因是Cu2S、Cu2Se和Cu2Te会继续与氧反应生成Cu2O以及CuO。在所测试的温度范围内，由于纳米铜的晶界浓度较大，晶界扩散系数大，抗氧化能力明显不如粗晶铜。

论文目录

• 提要
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 高温氧化
• 1.2.1 高温氧化定义
• 1.2.2 高温氧化机理
• 1.2.3 影响材料抗高温氧化性能的主要因素
• 1.2.3.1 材料的性质
• 1.2.3.2 氧化膜/气体界面
• 1.2.3.3 气相
• 1.2.4 金属氧化的热力学判据
• 1.2.5 高温氧化动力学
• 1.2.5.1 氧化膜的完整性
• 1.2.6 金属的氧化速度以及氧化膜生长规律
• 1.2.6.1 直线规律
• 1.2.6.2 抛物线规律
• 1.2.6.3 立方规律
• 1.2.6.4 对数和反对数规律
• 1.3 金属以及合金的高温氧化
• 1.3.1 纯金属的高温氧化
• 1.3.2 合金的氧化
• 1.3.3 合金的氧化理论
• 1.3.3.1 Hauffe-wagner 理论
• 1.3.3.2 Smirnov 理论
• 1.3.3.3 Wagner 理论
• 1.4 纯铜的高温氧化
• 1.4.1 Cu-O 合金体系
• 1.4.2 铜的氧化机制
• 1.4.3 铜的氧化研究进展
• 1.4.3.1 铜氧化研究方法
• 1.4.3.2 铜氧化动力学研究进展
• 1.4.3.3 合金元素、杂质和退火对铜高温氧化的影响
• 1.4.4 纳米铜的氧化
• 1.5 选题意义及研究内容
• 第二章 试验材料与试验方法
• 2.1 试验用基本材料
• 2.2 试验样品的制备以及实验过程
• 2.3 材料测试以及表征手段
• 2.3.1 氧化动力学测试
• 2.3.2 表面形貌分析
• 2.3.3 物相以及元素分析
• 2.3.4 热力学分析
• 第三章 Cu-Mg 合金高温抗氧化性能的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验材料和实验方法
• 3.3 实验结果和讨论
• 2 退火'>3.3.1 Cu-Mg 合金的H₂退火
• 2 退火的理论分析'>3.3.1.1 Cu-Mg 合金H₂退火的理论分析
• 3.3.1.2 退火后的表面形貌和元素分析
• 3.3.1.3 退火后表面元素浓度深度剖析
• 3.3.2 Cu-Mg 合金的抗氧化性能
• 3.3.2.1 Cu-Mg 合金在600-900℃的氧化动力学
• 3.3.2.2 Cu-Mg 合金在400℃的抗氧化能力
• 3.3.3 Cu-Mg 合金在400℃和800℃的初期氧化形貌分析
• 3.3.3.1 Cu-Mg 合金在400℃的初期氧化形貌变化
• 3.3.3.2 Cu-Mg 合金在800℃的初期氧化形貌变化
• 3.4 本章小结
• 第四章 Cu-Al 合金的高温氧化
• 4.1 前言
• 4.2 实验材料以及实验方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 Cu- 0.2 wt %Al 退火及氧化动力学
• 4.3.1.1 退火过程中形成Al2O3 氧化膜的热力学分析
• 4.3.1.2 退火后合金表面形貌以及表面元素分析
• 4.3.1.3 氧化动力学
• 4.3.2 Al 含量对Cu-Al 合金高温氧化速率的影响
• 4.3.2.1 Cu-1.0wt% Al 合金退火后表面形貌及元素分析
• 4.3.2.2 氧化动力学
• 4.3.2.3 Cu-Al（0.2-2.0wt %）合金在600-800℃的氧化动力学
• 4.4 本章小结
• 第五章 Cu-S、Cu-Se 和Cu-Te 合金的高温氧化
• 5.1 引言
• 5.2 Cu-S、Cu-Se 和Cu-Te 合金制备及分析
• 5.2.1 Cu-S、Cu-Se 和Cu-Te 合金制备以及实验方法
• 5.2.2 Cu-S、Cu-Se 和Cu-Te 合金的热力学分析
• 5.3 实验结果
• 5.3.1 300-600℃的实验结果
• 5.3.1.1 氧化动力学
• 5.3.1.2 氧化后的表面形貌
• 5.3.1.3 500℃的氧化后的截面形貌
• 5.3.2 700-900℃的实验结果
• 5.3.2.1 氧化动力学
• 5.3.2.2 氧化后的表面形貌
• 5.3.2.3 800℃氧化后的截面形貌
• 5.4 分析与讨论
• 5.4.1 氧化层物相、成分分析
• 5.4.2 S、Se 或Te 对氧化过程中扩散的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 纳米晶铜和粗晶铜的高温氧化
• 6.1 引言
• 6.2 实验材料以及方法
• 6.3 实验结果及讨论
• 6.3.1 TG 测试
• 6.3.2 氧化动力学
• 6.3.3 氧化膜表面形貌
• 6.3.4 氧化膜截面形貌
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 摘要
• Abstract
• 致谢