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放电等离子烧结Cu/Ti3AlC2的电性能及力学性能

2020-04-10 06:46:00 《佛山陶瓷》 2020年1期

超级赛车,超级赛车精准计划王青松 代历 赵娜 李湘君 代帅 胡博文 彭航 陈艳林

摘 要:以Ti3AlC2和Cu粉作为原料,使用放电等离子烧结制备Cu/Ti3AlC2复合材料,研究了不同烧结温度对复合材料的影响。结果表明,在750 ~ 800℃之间,Cu与Ti3AlC2之间会发生反应生成TiC相。同时随着温度在650 ~ 850℃不断增加,密度和抗弯强度不断增加在850℃达到最大值分别为8.33 g·cm-3和531.4 MPa,而电阻率先减小在750℃达到最小值1.98×10-7 Ω·m后增加在850℃达到最大值6.47×10-7 Ω·m。Cu/Ti3AlC2复合材料性能随着温度的变化与其致密度和反应生成TiC有着密切的联系。

关键词:Cu/Ti3AlC2;放电等离子烧结;致密度;导电性;弯曲强度

1 前 言

超级赛车,超级赛车精准计划铜及其合金具有良好的导电及其导热性能,在导电器件、输送电力等方面广泛应用[1-4],但是铜及其合金本身的强度低、耐摩擦性能差,不耐腐蚀等,大大的限制了其在航空、航天、机械等领域的使用。过去对铜的增强相研究较多的是碳化物[5,6],但是存在导电性差,易粘结等缺点,无法满足电子器件对导电和导热的需求。

近年来,一种兼具陶瓷和金属性能的三元层状碳化物Ti3AlC2引起了材料工作者的广泛关注[7-9],它具有良好的导电导热性能,在高温下具有塑性,能用高速刀具进行加工;有着高弹性模量、低密度、高热稳定性和良好的抗氧化性能[9-12]。若将Ti3AlC2作为铜的增强相,既可以保持铜本身优良的导电导热性能,又可以发挥出增强相的协同作用[13-15]。本实验拟采用放电等离子烧结法制备出Cu/Ti3AlC2复合材料,研究不同烧结温度对复合材料电性能和机械性能的影响。

2 实 验

实验所用的Ti3AlC2均由Ti、Al、TiC粉末经无压烧结而成,纯度为99%以上,杂质主要为TiC,研磨后过200目筛;所用铜粉平均粒径为58 μm。实验将20wt.%Ti3AlC2的粉末与80wt.%Cu球磨湿混1 h后混合烘干,然后将混合粉末铺入 25 mm的石墨模具中,采用放电等离子烧结成型,工艺为:以100℃/min的升温速率升温至指定温度(650℃、700℃、750℃、800℃和850℃五个温度),压力为30 MPa,保温8 min。

超级赛车,超级赛车精准计划烧结后的试样使用磨床打磨抛光,使用线切割机对试样进行切割处理。采用XRD(Empyrean,锐影)分析复合材料的相组成,采用SEM(泰思肯,S340C)观察复合材料的微观形貌,采用阿基米德法测定复合材料的密度,采用四探针测试仪(双旭,SB120)测定其电阻率,采用万能测试仪(Instron,5966)测试复合材料的三点抗弯强度。

3 结果与讨论

3.1 不同温度下制备Cu/Ti3AlC2复合材料的相组成

超级赛车,超级赛车精准计划图1为Cu与Ti3AlC2粉末在不同温度下放电等离子烧结所得产物的XRD图,图中可以观测到不同温度下得到Cu/20%Ti3AlC2复合材料的相组成,从650 ~ 750℃复合材料都由Cu与Ti3AlC2两相组成,其XRD图基本相似。而在800 ~850℃复合材料中出现了TiC相且Ti3AlC2相衍射峰从650 ~ 850℃逐渐降低,这说明在750 ~ 850℃ Ti3AlC2相在不断的消耗同时生成了TiC相,观察Cu相的衍射峰还能发现,Cu相在850℃的衍射峰对比800℃略向左偏,这是由于Ti3AlC2相中的Al进入Cu晶格形成Cu(Al)固溶体导致Cu晶格膨胀的原因[14-16]。

超级赛车,超级赛车精准计划3.2  不同温度下制备Cu/Ti3AlC2复合材料的微观结构

超级赛车,超级赛车精准计划图2显示了Cu与Ti3AlC2粉末在不同温度下放电等离子烧结所得产物的SEM图。可以观察到,在650℃温度下可以清晰的观察到Ti3AlC2的层状结构,但与铜基体结合松散,两者之间存在较明显的界面与孔隙;随着温度逐渐升高至750℃,还是能清晰地看见层状的Ti3AlC2,Ti3AlC2与Cu之间的界面依然清晰可见,但是此时Cu基体与增强相Ti3AlC2之间结合紧密,呈现出更加致密的结构;而最终当温度达到850℃时,复合材料的微观结构依然致密,但发生了较大的变化,此时基本无法分辨Ti3AlC2相与Cu相,根据XRD的分析结果,此时Cu与Ti3AlC2之间的反应大幅发生,部分基体转变为Cu(Al)固溶体并产生了新的TiC相,这导致了其微观结构的变化。从SEM图分析的到的结果与XRD是一致的。

超级赛车,超级赛车精准计划3.3  Cu/Ti3AlC2复合材料密度、导电性能以及力学性能

图3显示了在不同温度下Cu/20%Ti3AlC2复合材料的密度。从图中可以观察到,随着温度从650 ~ 850℃,复合材料的密度逐渐增加,但从800℃到850℃增加幅度较大。根据阿基米德法得到的实际密度和Cu/20%Ti3AlC2的理论密度(7.34 g·cm-3)相比,在650℃和700℃烧结的复合材料致密度明显较低,这表明复合材料在该温度下致密度较差,而当烧结温度在750℃时,密度为7.31 g·cm-3,此时实际密度与计算得到的理论密度较吻合,这说明随着温度的提高,Cu与Ti3AlC2之间结合的更加紧密,孔隙基本消失。而在温度从800℃升至850℃时,密度值从7.38 g·cm-3升至8.33 g·cm-3,较理论密度也有较大提升,根据XRD及SEM的结论可以推测在800℃时Cu与Ti3AlC2之间反应开始发生,在之后直到850℃范围内,此反应进一步发生,使得试样进一步致密化且生成了密度更高的TiC相,使复合材料整体达到更高的密度。

超级赛车,超级赛车精准计划图4显示了在不同温度下Cu/20%Ti3AlC2复合材料的电阻率。由图可见,从650 ~ 750℃电阻率在逐渐下降,在750℃电阻率达到研究范围内的最小值1.98×10-7 Ω·m,而在750 ~ 850℃,电阻率逐渐增大,尤其是在750℃升至800℃,电阻率有一个大幅度增加。由XRD及SEM和密度分析的结果推测,電阻率从650 ~ 750℃先减小,是因为烧结前期基体铜与增强相Ti3AlC2之间开始变得致密,复合材料的孔隙变少,界面处结合更紧密,而750 ~ 800℃是由于Cu与Ti3AlC2开始反应生成TiC,这导致复合材料中出现了大量的缺陷,且形成的Cu(Al)固溶体与TiC电阻率分别高于基体Cu和Ti3AlC2使得复合材料整体电阻率提升较大,同时在800 ~ 850℃,Cu与Ti3AlC2的反应进一步发生,电阻率进一步升高,850℃电阻率达到研究范围内的最高值6.47×10-7 Ω·m。

超级赛车,超级赛车精准计划圖5显示了在不同温度下Cu/20%Ti3AlC2复合材料的弯曲强度。图中可以观测到,随着烧结温度从650 ~ 850℃,抗弯强度提高,从215.4 MPa增加到531.4 MPa。这上述分析的结论是一致的,从650 ~ 750℃,Cu/20%Ti3AlC2复合材料弯曲强度的提高是因为其致密度逐渐增加,材料的孔隙减少且界面处结合更紧密,而从750 ~ 850℃复合材料弯曲强度的提高是因为Cu与Ti3AlC2反应使材料整体的致密度进一步提高且反应生成了抗弯强度优于Cu的Cu(Al)和优于Ti3AlC2的TiC相。

4 结 论

以Cu粉末和自制的Ti3AlC2粉末为原料,以放电等离子烧结法在650 ~ 850℃制备得到了Cu/20%Ti3AlC2复合材料。当烧结温度在750 ~ 800℃之间时,Cu与Ti3AlC2发生反应生成TiC相。且随着温度的提高,材料的密度逐渐提高从6.79 ~ 8.33 g·cm-3,电阻率先降低在750℃达到最小值1.98×10-7 Ω·m最后增加到6.47×10-7 Ω·m,弯曲强度从215.4 ~ 531.4 MPa单调增加。结果表明Cu/20%Ti3AlC2复合材料在750℃致密度达到机械结合的最高值,此时材料的导电性最高而力学性能比较平衡,而在850℃时由于反应的发生结合更加紧密,此时材料的力学性能达到研究范围内的最高值,而导电性能最差。Ti3AlC2起到了良好的增强作用。

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