放電等離子燒結制備Cu/SiC復合材料及組織性能研究

馬會中，馮圣堯，陳梓軒

(鄭州大學 力學與安全工程學院，河南 鄭州 450001)

銅是與人類關系非常密切的有色金屬，被廣泛地應用于電氣、輕工、機械制造、建筑工業、國防工業等領域，在中國有色金屬材料的消耗量中僅次于鋁。銅具有很好的延展性，并且導熱和導電性能較好[1]。

碳化硅由于化學性能穩定、導熱系數高、熱膨脹系數小、耐磨性能好，用以制成的高級耐火材料，耐熱震、體積小、重量輕而強度高，節能效果好。碳化硅的硬度很大,莫氏硬度為9.5級，僅次于世界上最硬的金剛石和立方氮化硼(10級)，具有優良的導熱性能，是一種半導體，高溫時能抗氧化。因其3.2 g/cm3的密度及較高的升華溫度(約2700 °C)，在任何已能達到的壓力下，它都不會熔化，且具有相當低的化學活性。由于其高熱導性、高崩潰電場強度及高最大電流密度，在半導體高功率元件的應用上，具有廣泛的應用前景[2]。

彌散顆粒增強金屬基復合材料具有強度高、耐疲勞等性能優點[3-5]。放電等離子燒結法具有加熱均勻、升溫速度快、燒結溫度低、燒結時間短、生產效率高、產品組織細密均勻、可保持原料的自然狀態、可燒結制備梯度材料以及復雜工件等優點[6]。本文選用銅-碳化硅復合材料作為研究對象，以碳化硅增強銅基體，預期將該復合材料應用于車載發動機散熱器。

1 實驗材料與方法

基體材料選擇高純電解銅粉(純度99.9%)，增強體選用碳化硅粉(純度99.9%)。將銅和碳化硅分別按照99%和1%，97%和3%，95%和5%，93%和7%，91%和9%的配比置于行星式球磨機中干磨2 h，使粉料混合均勻。后將混合均勻的原料粉末置于圓柱模具內進行放電等離子燒結。以制得不同含量的復合材料樣品。燒結溫度為900℃。燒結時間為5 min保溫，燒結壓力為30 MPa。燒結樣品的直徑為30 mm。將制備所得樣品用掃描電鏡(Scanning Electron Microscope，以下簡稱SEM)進行形貌觀察。再用HV-5 小載荷維氏硬度儀測量復合材料的維氏硬度，測試載荷為1N，加載10 s，每個樣品測試4個點以上取其平均值。采用旋轉摩擦實驗來測量摩擦磨損硬度，摩擦載荷為5N，旋轉速度為200 r/min，單樣測試時間為30 min。

2 實驗結果與討論

2.1 微觀組織

不同含量Cu/SiC復合材料的SEM微觀表面形貌圖像如圖所示。從圖1可以看出，Cu/SiC復合材料中，SiC顆粒整體分布都較均勻，說明高能球磨能夠有效改善增強顆粒在基體中的均勻分布，燒結樣品質量較好。隨著SiC顆粒含量增加，顆粒在樣品中分布更為均勻，團聚現象明顯減少增強效果明顯。但當SiC顆粒含量提升至9%時，可以看出SiC顆粒之間形成了紋路狀結構。SiC屬于空間網狀結構原子晶體，C與Si原子都與多個原子相結合。紋路狀結構的出現說明較高SiC含量下SiC的原本結構受到一定的破壞，生成了新的C-C和Si-Si鍵。此時SiC的含量增加，但結構被破壞，導致增強效果減弱。

圖1 不同含量的Cu/SiC復合材料的微觀形貌Fig.1 Micro morphology of Cu/SiC composites with different contents(a)純銅；(b)1%SiC；(c)3%SiC；(d)5%SiC；(e)7%SiC；(f)9%SiC；

2.2 性能

表1為不同含量的Cu/SiC復合材料硬度。從表中可以看出，SiC顆粒的添加能大幅提高復合材料的硬度。這是由于SiC的高硬度極大強化了復合材料。隨著SiC顆粒含量增加，復合材料硬度迅速提高，當SiC顆粒含量由1%提升至5%時，復合材料硬度升高幅度較小。這是因為當SiC顆粒含量達到5%時，SiC顆粒與銅基體的結合程度較好，致密度較高，表現為穩定的硬度值。隨著SiC顆粒含量繼續增加，Cu/SiC復合材料硬度繼續提高，且變化幅度較大。同時致密度下降。

表1 不同含量的Cu/SiC復合材料的硬度Table 1 Hardness of Cu/SiC composites with different contents

從中可以看出，當SiC顆粒含量偏少時，增加SiC顆粒含量可在球磨期間形成較多的細小SiC顆粒，可提高復合材料的致密度。而進一步提高SiC含量時，會出現大量SiC顆粒的團聚現象，導致復合材料致密度反而下降。

下圖為不同含量的銅-碳化硅復合材料的摩擦系數曲線，在碳化硅含量為7%時，摩擦系數最低。碳化硅含量超過7%時，與純銅和碳化硅的摩擦系數相比，復合材料的摩擦系數出現顯著增大。該現象說明該含量下，復合材料的自潤滑性降低。

圖2 不同含量的SiC/Cu復合材料的摩擦系數變化圖Fig.2 Variation diagram of friction coefficient of SiC/Cu composites with different contents(a)純銅；(b)1%SiC；(c)3%SiC；(d)5%SiC；(e)7%SiC；(f)9%SiC

表2 不同含量的Cu/SiC復合材料的摩擦系數Table 2 Friction coefficient of Cu/SiC composites with different content

結合圖表可以看出，相比于純銅，含少量SiC的復合材料樣品表現出較高的摩擦系數，說明此時界面結合較差，致密度較低。隨著SiC含量增加至7%，SiC粉末更加廣泛地分布在銅基體中，產生更加優良的致密度與耐磨性能。當SiC含量增加至9%，摩擦系數出現顯著提升。說明了此時SiC含量過高，樣品潤滑性能下降。

3 結論

采用放電等離子燒結工藝制備了不同含量的SiC增強SiC/Cu 復合材料，觀測了復合材料的組織性能，研究了SiC顆粒含量對復合材料組織性能的影響，得到如下結論：

(1)高能球磨能促進增強顆粒的均勻分布，減少團聚現象的發生。放電等離子燒結具有燒結溫度低、保溫時間短的特點，可有效減少甚至避免基體與增強體有害反應的發生。燒結樣品中增強體分布均勻，增強效果明顯。

(2)當SiC顆粒含量較低時，隨著SiC顆粒含量增加，顆粒分布更加廣泛，且團聚現象減少，復合材料致密度提高，復合材料硬度與耐磨性均提高。當SiC顆粒含量超過7%時，SiC結構發生變異，原子間結合變弱，導致增強效果降低，潤滑性下降。