新型鎢銅復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、制備與性能研究.pdf

1、W-Cu復(fù)合材料獨(dú)特的性能使其被廣泛用作電接觸器、真空斷路器、熱沉材料等功能和結(jié)構(gòu)器件。由于W、Cu之間較大的性能差異，一直以來W-Cu復(fù)合材料的制備工藝都是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前，傳統(tǒng)工藝存在致密化程度低、微觀組織不均勻或成分受限制等一系列問題，使得W-Cu復(fù)合材料無法發(fā)揮更大的潛力?，F(xiàn)代電子信息業(yè)和國防工業(yè)高尖端領(lǐng)域的快速發(fā)展對W-Cu復(fù)合材料提出了新的發(fā)展方向和要求：(1)探索適用于工業(yè)化生產(chǎn)的材料制取工藝；(2)通過進(jìn)一步提高致

2、密度和微結(jié)構(gòu)均勻性得到更高性能的W-Cu復(fù)合材料；(3)開發(fā)滿足高科技要求的新型高性能W-Cu復(fù)合材料；(4)拓展W-Cu復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域。本論文針對以上方面提出以機(jī)械合金化技術(shù)為基礎(chǔ)結(jié)合常壓燒結(jié)或熱壓的方法制備高性能細(xì)晶W-Cu復(fù)合材料、W-Cu/AlN復(fù)合材料和W-Cu梯度功能材料，并對其工藝，優(yōu)化設(shè)計(jì)及性能等方面進(jìn)行探索和研究。為今后高性能W-Cu復(fù)合材料的實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。 首先，對不同成

3、分W-Cu納米晶復(fù)合粉體的機(jī)械合金化過程進(jìn)行了研究，通過對球磨和退火熱處理過程中復(fù)合粉體的內(nèi)部相轉(zhuǎn)變和成分分布，以及晶粒尺寸、晶格常數(shù)、微觀應(yīng)變和形貌特點(diǎn)等方面的分析，探討了機(jī)械合金化制備W-Cu納米晶粉體的工藝特點(diǎn)、粉體的特征和熱穩(wěn)定性。W-15Cu、W-20Cu和W-30Cu復(fù)合粉末在分別球磨30h、40h和60h后均形成了常溫下穩(wěn)定的W(Cu)過飽和固溶體。在W-15Cu系統(tǒng)中：隨著球磨的進(jìn)行，復(fù)合粉體中W晶粒尺寸逐漸減小：復(fù)合粉

4、末的粒度在球磨過程中呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，球磨30h粉末顆粒呈多面體狀，表面平滑，平均粒度4μm左右。W(Cu)過飽和固溶體的形成機(jī)制為球磨初期，粉體呈現(xiàn)Cu包裹W的包覆結(jié)構(gòu)形態(tài)；繼續(xù)球磨，包覆結(jié)構(gòu)的復(fù)合顆粒進(jìn)一步細(xì)化，包覆層間距大大減小，形成W、Cu均勻彌散分布的復(fù)合組織：球磨30h，形成了組織和成分均一的W(Cu)過飽和固溶體。W-15Cu納米晶復(fù)合粉末在退火熱處理過程中晶格畸變程度降低、內(nèi)應(yīng)力釋放，粉體結(jié)構(gòu)有序度明顯提高：球磨過

5、程中形成的W(Cu)過飽和固溶體在500℃退火時(shí)開始脫溶。 其次，采用機(jī)械合金化技術(shù)制備的納米晶W-Cu復(fù)合粉體，分別通過常壓液相燒結(jié)或熱壓燒結(jié)的方法，制備出W-15Cu、W-20Cu和W-30Cu，以及W-Cu/x％AlN(x=0.25，0.5，1.0，2.0，質(zhì)量分?jǐn)?shù))復(fù)合材料并對其密度、熱導(dǎo)率、電阻率、電導(dǎo)率等物理性能，以及硬度、抗彎強(qiáng)度等力學(xué)性能和顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試和觀察，探討了高能球磨及燒結(jié)工藝參數(shù)對W-Cu復(fù)合材料組織

6、結(jié)構(gòu)和性能的影響，以及高能球磨后粉體的燒結(jié)致密化機(jī)理。機(jī)械合金化技術(shù)從細(xì)化晶粒、提高粉體組成的均勻度和形成W(Cu)固溶體等多方面改善了W-Cu復(fù)合粉體的燒結(jié)性能，加強(qiáng)了W-Cu之間的相互作用，增大了W-Cu之間的接觸機(jī)會，從而大大提高了W-Cu復(fù)合材料的致密度和組織的均勻性，是獲得近全致密W-Cu復(fù)合材料最佳制備工藝之一。常壓燒結(jié)優(yōu)化工藝參數(shù)為：成型壓力350MPa，燒結(jié)溫度為1200℃，保溫90min。W-15Cu、W-20Cu、W

7、-30Cu復(fù)合材料的致密度分別為98.42％，99.10％，99.34％。采用真空熱壓燒結(jié)工藝在相對較低的溫度1050℃，25MPa壓力下燒結(jié)90min制備出組織結(jié)構(gòu)更加均勻細(xì)小的W-Cu復(fù)合材料，三種成分的W-Cu復(fù)合材料的致密度分別達(dá)到：97.87％，98.29％，98.94％。少量納米AlN顆粒(≤1wt％)的加入對W-Cu復(fù)合材料的致密度影響并不大，在1wt％加入量時(shí)，致密度仍接近98％；納米AlN顆粒均勻彌散分布于基體中Cu相

8、中，提高基體材料中Cu的硬度；但是隨著AlN納米顆粒的含量增加，基體晶界上的增強(qiáng)相顆粒分布過多，影響燒結(jié)過程中相鄰W顆粒間結(jié)合和材料的致密化，而致使材料的抗彎強(qiáng)度有所下降，但對導(dǎo)熱性能的提高有一定的幫助。 最后，采用有限元方法(Finite Element Method)，針對W-Cu梯度功能材料在制備過程中產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。在綜合分析了殘余熱應(yīng)力大小和梯度層中應(yīng)力分布狀態(tài)等因素的基礎(chǔ)上，確定了三層結(jié)構(gòu)的W-C

9、u梯度材料，P=2.4時(shí)，過渡層Cu含量為33vol.％時(shí)的三層W-Cu梯度功能材料W-20％Cu/W-33％Cu/W-50％Cu具有較好的熱應(yīng)力緩和效果：四層結(jié)構(gòu)的W-Cu梯度材料，在P=1.4時(shí)，模擬計(jì)算得出的W-20％Cu/W-29.1％Cu/W-39.2％Cu/W-50％Cu四層均厚的W-Cu復(fù)合材料的等效應(yīng)力具有最小值。并基于上述成分結(jié)構(gòu)研究了W-Cu梯度復(fù)合材料的制備工藝，提出先冷壓后低溫?zé)釅簾Y(jié)的制備工藝較好的保證了梯度材

10、料具有較高的致密度，同時(shí)保持了單層的原始設(shè)計(jì)成分。所制備W-Cu三層和四層梯度復(fù)合材料的層界面結(jié)合良好，沒有明顯的裂紋等缺陷；熱導(dǎo)率分別達(dá)到198 W·m-1K-1和202 W·m-1K-1，獲得了較高的導(dǎo)熱性能；兩種結(jié)構(gòu)的FGM樣品經(jīng)800℃溫差的熱震試驗(yàn)后，界面處沒有發(fā)現(xiàn)裂紋和開裂現(xiàn)象，表現(xiàn)出良好的抗熱震性能；熱疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，三層結(jié)構(gòu)和四層結(jié)構(gòu)的梯度材料在分別經(jīng)過86和143次熱循環(huán)后首次出現(xiàn)裂紋，熱疲勞裂紋總是最先出現(xiàn)在梯度材