Cu-SiC納米復(fù)合材料的制備及其組織性能研究

吳曉濱

（包頭輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭014035）

0 前言

銅基復(fù)合材料是一種以金屬銅為基相，以鑲嵌于其中的微粒為增強(qiáng)相的材料。它融合兩相的優(yōu)勢(shì)性能于一體，因而展現(xiàn)出較優(yōu)良的綜合性能［1］。正鑒于此，銅基復(fù)合材料成為近些年復(fù)合材料制備領(lǐng)域中的熱點(diǎn)主題之一。眾多學(xué)者從改變?cè)鰪?qiáng)相的類型、尺度和添加量［2-4］及優(yōu)化制備工藝條件［5-6］等方面進(jìn)行了嘗試和探索，期望進(jìn)一步提高銅基復(fù)合材料的綜合性能，拓寬其潛在的應(yīng)用空間。

本文從改變?cè)鰪?qiáng)相的尺度和添加量方面展開研究。采用電沉積工藝實(shí)現(xiàn)納米SiC微粒與基質(zhì)金屬銅離子共沉積，制備Cu-SiC納米復(fù)合材料，并對(duì)其組織和性能進(jìn)行觀察和測(cè)定。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 復(fù)合材料的制備

制備基相金屬銅的鍍液配方為：硫酸銅220 g／L，硫酸45mL／L，硫脲0.5g／L。增強(qiáng)相微粒選用近似呈球形的SiC，其粒徑約為50nm。并依次經(jīng)除雜質(zhì)、解聚、表面改性、清洗和干燥等環(huán)節(jié)處理后，再加入鍍液中。為確保微粒與基質(zhì)金屬順暢共沉積，施加適宜工藝條件，具體為：鍍液采用機(jī)械方式攪拌，溫度控制在30℃左右，加載電流密度為6 A／dm2。

1.2 組織性能檢測(cè)

復(fù)合材料的形貌組織用工具顯微鏡和掃描電鏡觀察。復(fù)合材料的顯微硬度用顯微硬度計(jì)測(cè)定，分別測(cè)定中心和邊緣四處方位，結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合材料的形貌組織

圖1為SiC 15g／L時(shí)制備的Cu-SiC納米復(fù)合材料的形貌組織。圖2為制備的純銅材料的形貌組織。由圖1可知：復(fù)合材料表面較平整，晶簇較小且形狀較規(guī)整、排列較勻稱。盡管可見一定程度的晶間縫隙，但與純銅材料相比，Cu-SiC納米復(fù)合材料的表面平整性和結(jié)構(gòu)致密性均明顯改善。由此可見，納米SiC微粒在與基質(zhì)金屬銅離子共沉積的過程中發(fā)揮了細(xì)化基相晶粒、彌散強(qiáng)化組織、密實(shí)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的作用。

圖1 SiC 15g／L時(shí)制備的Cu-SiC納米復(fù)合材料的形貌組織

圖2 制備的純銅材料的形貌組織

然而，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)：納米微粒的添加量對(duì)Cu-SiC納米復(fù)合材料的形貌組織有一定影響。換言之，鍍液中納米微粒的質(zhì)量濃度并非越高越有利。圖3為SiC 35g／L時(shí)制備的Cu-SiC納米復(fù)合材料的形貌組織。由圖3可知：在SiC 35g／L的條件下制備的復(fù)合材料，其表面粗糙、晶粒粗化且夾雜微粒團(tuán)。分析認(rèn)為，鍍液中納米微粒的質(zhì)量濃度過高，導(dǎo)致相互間碰撞的概率增大，加之納米微粒固有的高表面能特性彰顯，致使集合團(tuán)聚，并以團(tuán)聚體形態(tài)參與共沉積。故此，Cu-SiC納米復(fù)合材料中夾雜微粒團(tuán)。而微粒團(tuán)無法發(fā)揮等效于單態(tài)納米微粒的細(xì)化晶粒作用［7］，這正是導(dǎo)致復(fù)合材料形貌粗糙、組織弱化的主要原因。

圖3 SiC 35g／L時(shí)制備的Cu-SiC納米復(fù)合材料的形貌組織

2.2 復(fù)合材料的顯微硬度

表1為復(fù)合材料與純銅材料的顯微硬度對(duì)比。由表1可知：Cu-SiC納米復(fù)合材料的顯微硬度均高于純銅材料的。尤其是在SiC 15g／L條件下制備的Cu-SiC納米復(fù)合材料，其顯微硬度更是高達(dá)1 158MPa，約為純銅材料的1.4倍。對(duì)于復(fù)合材料，因其中牢固嵌合夾雜的微粒，會(huì)導(dǎo)致結(jié)晶晶粒的轉(zhuǎn)移擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)阻力增大，阻礙晶粒的位錯(cuò)滑移，相當(dāng)于形成彌散強(qiáng)化效應(yīng)，故宏觀層面表現(xiàn)為顯微硬度較高。另外，根據(jù)文獻(xiàn)［8］的研究結(jié)論：復(fù)合材料的顯微硬度受其中納米微粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和納米微粒分散狀況的制約。復(fù)合材料中納米微粒的摻雜量越大，且納米微粒分散越趨于均勻，顯微硬度自然越高。結(jié)合上文分析，在納米SiC微粒的添加量適中的情況下，經(jīng)共沉積過程進(jìn)入復(fù)合材料中的納米微粒相對(duì)較多且分散較為均勻，能夠發(fā)揮較明顯的位錯(cuò)強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用，故制備的復(fù)合材料的顯微硬度相對(duì)較高。而在微粒添加量過高的情況下，因相互間接觸碰撞的頻率增高，加之靜電吸引作用，造成納米SiC微粒不可避免地團(tuán)聚形成較大尺度（乃至微米級(jí)尺度）的微粒團(tuán)。由于大尺度微粒團(tuán)在共沉積中難以有效發(fā)揮細(xì)化結(jié)晶晶粒和密實(shí)組織結(jié)構(gòu)的作用，從而導(dǎo)致制備的復(fù)合材料的顯微硬度偏低。

表1 復(fù)合材料與純銅材料的顯微硬度對(duì)比

3 結(jié)論

采用電沉積工藝實(shí)現(xiàn)納米SiC微粒與基質(zhì)金屬銅離子共沉積，制備出Cu-SiC納米復(fù)合材料。借助工具顯微鏡、掃描電鏡和顯微硬度計(jì)對(duì)復(fù)合材料的形貌組織和顯微硬度進(jìn)行了觀察和測(cè)定，并分別與純銅材料的作比較。得出結(jié)論：（1）相比于純銅材料，Cu-SiC納米復(fù)合材料的表面較平整，組織較勻致，且顯微硬度有所提高；（2）納米SiC微粒的添加量對(duì)Cu-SiC納米復(fù)合材料的形貌組織和顯微硬度均有較明顯的影響，在SiC 15g／L的條件下制備的復(fù)合材料形貌最為平整，組織最為緊致，顯微硬度最高。

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