機械合金化法制備超細TiC 顆粒及其增強銅基復合材料的研究

朱文豪

摘 要：金屬銅具有很好的導電性和導熱性能，在電子、電器及導電相關的其他工業領域中有廣泛的應用，隨著工業技術的快速發展，對用作導電器件的材料有很高的要求，金屬銅低強度和低耐磨性的弊端使得無法滿足工業發展的需要，顆粒增強銅基復合材料在基本保持金屬銅良好導電和導熱性能的基礎上提高銅基復合材料的強度和耐磨性，是一種具有很好的發展前景的復合材料，具有可以克服纖維增強復合材料生產中存在的纖維損壞，微觀組織不均勻，纖維與纖維相互接觸，反應帶過大等缺點。

關鍵詞：機械；合金化法制備；超細TiC顆粒；增強銅基復合材料；研究

一、TiC的性能

TiC是十分穩定的間隙化合物，具有很高的熔點、高硬度、高楊氏模量、高化學穩定性、耐磨和耐腐蝕等特點，同時具有良好的導電和導熱性能。TiC極具吸引力和廣闊的應用前景主要有以下幾個方面；由于其高硬度和高強度可以作為結構材料，用于航空，汽車和工具等工業中制備結構件，刀具，拉絲模和噴嘴等；利用其高導電性和高導熱性來制備大電流電樞等極，導軌和電樞等材料；利用其高穩定性可作為超高溫耐火材料；同時利用其高硬度和高電性可制備陶瓷基硬質合金和用它們作為增強相來制備高強度和高電性能的金屬基復合材料。TiC材料具有高溫、高強、高電導和高穩定性的性能，所以是十分有用的非氧化物陶瓷，也是人們研究的熱點之一，現在世界各國都在研究這種材料。

采用新型材料制備技術MRS和MA法原位生成TiC/Cu彌散強化復合材料，對材料的電學及力學性能進行測試，提出簡便、可行和成本低的新工藝，并且制備出具有良好的機械強度和導電性能的銅基復合材料，為以后銅基復合材料的研究奠定堅實的基礎。

二、銅基復合材料的制備方法

1.粉末冶金法

粉末冶金法的主要工藝是把一定的比例Cu粉與增強相顆粒粉末混合均勻、壓制成型以后進行燒結的，再通過液相浸滲法向增強體預制件內熔滲銅，可以使用壓力熔滲法和真空-壓力熔滲法，對于壓力熔滲法是把預制件放到模具預熱以后，把金屬熔體傾入，再壓下壓頭，使得在壓力的作用下進行熔滲，熔體凝固以后就能脫模，這種方法比較簡單，但是預制件中的氣體不容易在凝固前排出造成氣孔與疏松，預制件容易發生變形和偏移，而真空-壓力熔滲法就是把預制件放到位于承壓容器中，進行抽真空處理，再用氣壓金屬熔體由通道壓到模具內，但是這種需要專用設備容器，制件質量是很好的，這種粉末冶金的方法是比較成熟的工藝，材料的性能比較好，但是生產工藝比較復雜，成本也比較高，生產效率低，對環境的要求很高。

2.機械合金化法

機械合金化技術是美國INCO公司發展起來的一種制備合金粉末的新技術，MA是把合金化的元素粉末混合到一起，在高能球磨機中長時間運轉，將回轉機械能傳遞給金屬粉末，依靠球磨機轉動或者振動使球磨過程中的球與球、球與球磨壁之間產生碰撞、擠壓，使得粉末被強烈的撞擊、研磨和攪拌，并且發生反復的斷裂、焊合、塑性變形，使得新鮮沒有反應表面不斷暴露，是粉末組織結構不斷的細化，粉末在機械力化學作用，原子不斷的擴散，形成非平衡態或發生化學反應，MA屬于強制反應，球磨過程中從外界引入高能量密度機械強制作用，粉末顆粒中引入大量的應變、缺陷及納米級的微結構，使得粉末具有很高的晶格畸變能和表面能，成為擴散和反應的驅動力，使得MA過程的熱力學和動力學不同于普通固態反應過程，可以制備出用常規液態或氣相法難以合成的新型合金。

MA法可以制備常規條件下很難合成，具有獨特性能的新型合金材料，具有成本低、產量大、工藝簡單及周期短等優點，使材料遠離平衡狀態，獲得特殊的組織和結構，擴大材料的范圍，避開準晶、非晶形成時對熔體冷速和形核條件的苛刻要求。

機械合金化法主要是通過把不同的金屬粉末和彌散粒子在高能球磨機中長時間的研磨，使得金屬材料達到原子級水平，還有就是把硬質粒子均勻地嵌入金屬顆粒中，最終得到復合粉末，然后在進行壓緊、成型、燒結，磨球的時候會引入很多晶格畸變、位錯、晶界等缺陷，激活能降低，復合過程中的熱力學和動力與固態過程是不同的，無法制備新型亞穩態復合材料，使用機械合金化合成超微細難熔金屬化合物，可細小到納米級的微結構，獲得納米晶材料，是現在發展開發銅基復合材料的重要方法，用機械合金化方法以純元素粉末為原料制得合金粉末結合熱處理方法得到氧化物彌散強化不斷的完善。

三、超細納米晶TiC粉末的制備

TiCx 是一種間隙型非化學計量化的化合物，由廣范圍的均相組成，TiCx 中的X在0.5-1.0范圍內變化，其硬度、熔點、穩定性和燒結等特性都會隨著X的變化而變化，TiC具有很好的耐腐蝕作用，而且是一種比較好的導電體，具有很高的熔點、硬度和紅硬性，所以在工業生產中得到廣泛的應用，由于其特殊的性能，一般都會作為金屬基復合材料的增強體，為了可以制備TiC彌散強化銅基復合材料，用Ti和C粉經過機械誘發自蔓延反應合成超細顆粒的TiC作為彌散強化Cu基復合材料的增強體。

由于TiC為面心立方結構，滑移帶很多，粉末狀晶粒細化到幾納米，微觀應力無法聚集，晶粒內沒有位錯和缺陷，顯微應變存在晶界，晶粒變小后位錯就不能出現大量的推積，隨著磨時間的增加晶粒的細化機制是通過晶界滑動，細化速度減慢，晶界變薄，晶界處的位錯密度減小，嚴重的機械力作用下晶格傾向于收縮，當球磨到一定程度，晶粒尺寸變化緩慢，點陣畸變度不會改變，自由能的增大受到限制，TiC無法獲得向非晶態轉變的能量。

四、機械合金化法制備超細TiC 顆粒及其增強銅基復合材料展望

現在的顆粒增強金屬基復合材料的研究主要集中在新合金的研制、制備方法的改進及致密方法的優化，顆粒增強金屬基復合材料處在工業化生產的初期，隨著航空、航天及汽車工業的發展，對低密度、高性能的金屬基復合材料的要求越來越高。對于銅基材料熔點比較高、密度大、比強度小河制造工藝十分的困難，所以銅基復合材料的研究很少，但是通過復合工藝把銅材料和增強相材料間的高韌性和高耐磨性等性能的優化組合具有廣闊的應用前景。顆粒的尖銳化使得基體內的應變集中和顆粒尖端斷裂使材料塑性下降和脆化，所以應增強金屬基復合材料的韌化。

結語：

機械合金化法制備超細TiC 顆粒及其增強銅基復合材料是近年才發展的新型材料，具有高強度、高導電率、良好的導熱性能，而且其硬度高、耐磨性好，所以可以應用在觸頭材料、點焊電極、集成電路引線框架、鑄機結晶器材料，現在的制造工藝比較復雜、性能達不到要求、生產成本高、加工制造工藝技術沒有解決，應該不斷的提高材料的性能、降低成本、完善工藝，以實現工業化生產成為我國材料工作者的努力方向。

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