MA-SPS法制备Cu-Cr-TiB2纳米晶复合材料

论文摘要

摘要CuCr合金是一类被广泛应用于电子电气工业的电接触材料,尤其在中高压真空断路器中,CuCr合金被认为是最优秀的触头材料体系。现在CuCr合金应用朝着超高电压、大电流方向发展,并对材料机械性能提出了更高要求。已有研究表明,具有纳米结构的CuCr触头材料具有更加优异的电气性能,此外,利用TiB2微粒均匀弥散在Cu基体中形成的颗粒弥散增强复合材料,其机械性能大大提高。本课题将机械合金化（MA）技术和放电等离子烧结（SPS）技术结合起来,开展了Cu-Cr-TiB2纳米晶复合材料的研究。首先利用MA法制备各相分布均匀的Cu-Cr-TiB2纳米晶复合粉末,然后通过SPS这种快速烧结技术,获得高致密化、晶粒细小的Cu-Cr-TiB2纳米晶块体材料。研究中利用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）透射电镜（TEM）等分析测试技术对材料的物相结构、组织形貌、成分分布等进行了表征,并检测了块体材料的致密度、显微硬度、电导率、耐磨性等相关物理性能,建立了材料显微结构、组成与性能之间的联系。研究了MA和SPS过程中关键工艺参数以及TiB2含量对材料结构、组织、形貌和性能的影响,探讨了TiB2影响材料性能的作用机理。主要研究结果如下：最佳的机械合金化工艺：过程控制剂无水乙醇5wt%,球料比30：1,球磨时间80h。该工艺制得复合粉末收得率在95%以上,平均晶粒尺寸20nm左右,Cu晶格畸变度0.4%左右,无明显杂质引入。随着TiB2含量由0wt%增加到10wt%,复合粉末的金属晶粒尺寸减小,晶格畸变度增大,这与TiB2的“微磨球”效应和金属基体的位错增多有关。最佳的SPS工艺：烧结温度920℃,保温时间5min,加载压力50MPa。该工艺制备的复合块体致密度接近99%,平均晶粒尺寸100nm左右,各相分布均匀,无明显杂质。随着TiB2含量增加,复合材料致密度和导电率逐渐下降,而硬度和耐磨性先迅速提高,然后缓慢增加。材料机能的增械性强和导电性能的下降与TiB2微粒的“钉扎作用”和基体位错增多有关。综合考虑,含有2wt%和4wt%TiB2的复合块体具有最佳综合性能,两者都具有Cu、Cr和TiB2纳米晶均匀复合的显微结构,致密度分别达到98.3%和96.4%,维氏硬度均在3.9GPa左右,导电率分别为27.9IACS%和24.9IACS%。相较纯CuCr25合金,两者硬度提高值均超过30%,导电率损失值则分别为3.4%和16.4%,耐磨性在本文实验条件下比纯CuCr25合金分别提高了1倍和7倍。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 CuCr合金国内外研究现状与发展趋势
• 1.1.1 CuCr合金的研究背景
• 1.1.2 CuCr合金的国内外研究进展
• 1.1.3 CuCr合金的制备方法
• 1.1.4 CuCr合金的发展趋势
• 2颗粒增强的Cu基复合材料研究现状'>1.2 TiB₂颗粒增强的Cu基复合材料研究现状
• 2的性质与特点'>1.2.1 TiB₂的性质与特点
• 1.2.2 Cu基复合材料强化方式
• 1.3 本文研究目的、意义及方法
• 1.3.1 研究目的与意义
• 1.3.2 采用的研究方法和技术路线
• 第2章 实验方案
• 2.1 实验用原料
• 2.2 实验所需仪器设备
• 2.2.1 制备试样用设备
• 2.2.2 分析测试用设备
• 2纳米晶复合粉末'>第3章 机械合金化制备Cu-Cr-TiB₂纳米晶复合粉末
• 3.1 本章前言
• 3.2 机械合金化工艺及其表征分析
• 3.2.1 过程控制剂含量研究
• 3.2.2 球料比研究
• 3.2.3 球磨时间研究
• 2含量对Cu-Cr-TiB₂纳米晶复合粉末的影响'>3.3 TiB₂含量对Cu-Cr-TiB₂纳米晶复合粉末的影响
• 2含量复合粉末表征与分析'>3.3.1 不同TiB₂含量复合粉末表征与分析
• 2含量影响复合粉末性能的机理分析'>3.3.2 TiB₂含量影响复合粉末性能的机理分析
• 3.4 本章小结
• 2纳米晶复合块体'>第4章 放电等离子烧结Cu-Cr-TiB₂纳米晶复合块体
• 4.1 本章前言
• 4.2 烧结基础理论
• 4.2.1 SPS烧结过程
• 4.2.2 烧结的热力学与动力学
• 4.2.3 烧结传质机制
• 4.3 放电等离子烧结工艺与分析
• 4.3.1 烧结温度研究
• 4.3.2 保温时间研究
• 4.3.3 加载压力研究
• 2含量对纳米晶复合块体性能的影响研究'>4.4 TiB₂含量对纳米晶复合块体性能的影响研究
• 2纳米晶复合块体材料显微结构表征'>4.4.1 Cu-Cr-TiB₂纳米晶复合块体材料显微结构表征
• 2含量对致密度、硬度和导电率的影响'>4.4.2 TiB₂含量对致密度、硬度和导电率的影响
• 2含量对块体耐磨性能的影响'>4.4.3 TiB₂含量对块体耐磨性能的影响
• 2颗粒弥散作用机理分析'>4.4.4 TiB₂颗粒弥散作用机理分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢