放电等离子烧结制备非连续石墨纤维/Cu复合材料

以磨碎中间相沥青基石墨纤维和铜粉为原料,通过放电等离子烧结(spark plasma sintering,SPS)制备非连续石墨纤维/Cu复合材料,对石墨纤维表面进行镀钛金属化处理,以改善材料的界面结合状况.研究SPS工艺参数、铜粉粒度搭配、石墨纤维表面镀钛以及石墨纤维含量对石墨纤维/Cu复合材料致密度及热导率的影响.结果表明,将平均粒度为12和80 μm的铜粉按1∶2的质量比搭配,再与表面镀钛石墨纤维按1∶1的体积比混合,采用35 MPa先加压后送热的加压方式,于895℃下进行放电等离子烧结,可获得致密度达99.6％、热导率为364 W/(m·K)的石墨纤维/Cu复合材料,是1种很有潜力的电子封装材料.石墨纤维表面镀覆的极薄Ti镀层,可使复合材料在二维平面方向上的热导率从196 W/(m·K)提高到364 W/(m·K).     

Cr3C2含量对热压烧结WC基硬质合金材料微观组织和力学性能的影响

为了研制高强度高硬度的硬质合金刀具材料,本文采用真空热压烧结技术制备Cr₃C₂含量不同的WC基硬质合金。通过XRD、SEM、EDS等分析手段研究其物相组成及微观形貌,探究Cr₃C₂含量对WC基硬质合金力学性能和微观组织的影响规律。结果表明：在WC-Co硬质合金中添加适量Cr₃C₂可有效抑制WC晶粒异常长大,提高晶粒均匀度,减少微观组织缺陷,进而改善其综合力学性能。随Cr₃C₂含量增加,合金的硬度和抗弯强度先升高后降低,断裂韧性先降低后升高。当Cr₃C₂的质量分数为0.4%时,WC基硬质合金综合力学性能最佳,硬度(HV)达到20.97 GPa,抗弯强度为1 584 MPa,断裂韧性为10.92 MPa·m^1/2,其中硬度大幅提高对于硬质合金材料用作切削刀具具有重要意义。     

熔渗法制备高导热金刚石/Cu复合材料

利用真空热压熔渗技术制备金刚石/Cu复合材料。研究熔渗工艺、金刚石表面镀覆条件等对制备出的金刚石/Cu复合材料的热物理性能的影响。通过理论分析和试验数据可以发现:利用熔渗工艺制备出的金刚石/Cu复合材料中增强体金刚石的石墨化程度非常低,对复合材料的热性能影响很小;提高复合材料的致密度以及降低复合材料的界面热阻是提高复合材料热导率的主要方法,通过改变工艺参数和在金刚石表面镀覆金属层等方法可以提高复合材料的致密度并降低材料的界面热阻;采用180~210μm粒径镀Cr金刚石制备的金刚石体积分数为60%、相对密度为99.1%的复合材料热导率达到462 W·m-1·K-1。     

Cr3C2/Ni3Al复合材料耐磨性提高的机制分析

为了探讨Cr₃C₂强化相提高Cr₃C₂/Ni₃Al复合材料耐磨性的机制, 本文采用热等静压技术制备了Ni₃Al合金和Cr₃C₂/Ni₃Al复合材料, 借助纳米压痕仪对Ni₃Al合金和Cr₃C₂/Ni₃Al复合材料中各组成相的力学性能进行了表征, 利用销-盘式摩擦磨损试验机研究了热等静压Ni₃Al合金和Cr₃C₂/Ni₃Al复合材料的耐磨性能, 并结合扫描电子显微镜和纳米压痕仪分析了材料磨损表面形貌和磨损次表面层硬度变化.结果表明, Cr₃C₂的添加提高了复合材料基体的硬度, Cr₃C₂/Ni₃Al复合材料中各组成相的纳米硬度和弹性模量由基体相、扩散相到硬芯相是逐渐增大的, 呈现出梯度变化, 有利于提高Cr₃C₂/Ni₃Al复合材料的耐磨性.在本研究实验条件下, Ni₃Al合金和Cr₃C₂/Ni₃Al复合材料表面的磨损形式主要为磨粒磨损, Cr₃C₂/Ni₃Al复合材料表现出更加优异的耐磨性能.Cr₃C₂/Ni₃Al复合材料耐磨性能的提高主要跟碳化物强化相阻断磨粒切削、减弱摩擦副间相互作用、减小加工硬化层厚度、磨粒尺寸等因素有关.      

放电等离子烧结法制备高导热片状石墨/铝复合材料

以高导热片状石墨和铝粉为原料,通过放电等离子烧结法(SPS)制备高导热片状石墨/铝复合材料。使用金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对高导热片状石墨/铝复合材料的显微结构和成分进行了表征,观察了复合材料的界面结合状况,分析了烧结温度和烧结压力对复合材料致密化的影响,研究了复合材料中石墨含量对复合材料热导率的影响。研究表明,片状石墨和铝界面结合良好,没有生成界面产物Al4C3。适当的提高烧结温度和烧结压力有利于促进复合材料的致密化,过高的烧结温度容易造成铝液的溢出。当烧结压力为40 MPa,烧结温度为580℃时,高导热片状石墨/铝复合材料的致密度能达到99.7%。当复合材料中石墨含量为60%时,高导热片状石墨/铝复合材料的面向热导率能达到440 W·m-1·K-1,很好地满足了现代社会对电子封装材料的散热要求。     

金刚石盐浴镀覆温度对Al/金刚石复合材料导热性能的影响研究

采用盐浴镀对金刚石颗粒进行表面镀Ti,并采用放电等离子烧结制备高导热Al/金刚石复合材料,探讨了镀覆温度对金刚石表面镀Ti层结构、成分以及Al/金刚石烧结体导热性能的影响。结果表明,在较低的温度(700℃)镀覆30min即能够使金刚石表面包覆一层较为均匀的镀Ti层,镀层表面光滑平坦。当镀覆温度升高,金刚石不同类型表面呈现不同的镀层形貌。Ti在金刚石(100)面沉积速率要高于(111)面,表明金刚石(100)面比(111)面活性更高。随着金刚石镀Ti温度的提高,Al/金刚石复合材料的热导率逐步下降。相比之下,700℃镀覆温度下所得金刚石表面镀层较薄,而且镀层与金刚石之间结合力较强,SPS烧结过程中金刚石与Al基体能够实现较为紧密的结合,因而复合材料热导率优于其它更高镀覆温度条件下所制备的Al/金刚石复合材料。     

Cr3 C2含量对Cr3 C2/Ni3 Al复合材料摩擦磨损性能的影响

采用热等静压法制备Ni₃Al合金和Cr₃C₂含量不同的Ni₃Al基复合耐磨材料,利用扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪及摩擦磨损试验机,系统地研究Cr₃C₂含量对材料组织特征、硬度及摩擦磨损性能的影响.结果表明:Cr₃C₂/Ni₃Al复合材料中,Cr₃C₂颗粒与Ni₃Al颗粒之间发生互扩散作用,使部分Cr₃C₂颗粒转变为M₇C₃（M=Cr,Fe,Ni）结构;在特定的摩擦磨损条件下,随着Ni₃Al基体中Cr₃C₂比例增大,Cr₃C₂/Ni₃Al复合材料的耐磨性能显著提高,达到了Ni₃Al合金耐磨性能的4~10倍.此外,随着Ni₃Al基体中Cr₃C₂比例的增大,Cr₃C₂/Ni₃Al复合材料对对磨盘的切削、刮擦作用减弱,对磨盘的磨损量减少.      

镀铬金刚石粒度、品级和膜厚对金刚石/铜复合材料热物性能的影响

对不同品级和粒度的金刚石进行表面镀膜改性,用熔渗法制备了金刚石/铜复合材料。研究了金刚石品级、粒度与膜厚对复合材料热导率以及热膨胀特性的影响。结果表明:金刚石/铜复合材料的热导率随金刚石粒度增大和品级提高而增大;在其他条件相同的情况下,金刚石表面铬膜厚度为210 nm时复合材料的热导率为787 W/(m·K),当铬膜厚度为150 nm时复合材料的热导率为633 W/(m·K),表明镀铬膜太薄会降低复合材料的热导性能;在30~200℃范围内,金刚石/铜复合材料的热膨胀系数在(3.00~8.00)×10~(-6)K~(-1)之间,且随温度升高而升高。     

热压烧结法制备石墨/铜铬自润滑复合材料的组织性能

将机械合金化所制得的铜铬合金粉末,采用热压烧结法制备成石墨/铜铬复合材料,并着重分析了其组织性能。结果表明,随着铬含量的增加,复合材料的相对密度和电导率逐渐降低,硬度逐渐升高,抗弯强度先升后降且于铬含量为1%时达到最大。其中含1%Cr和2%C复合材料的相对密度为99.82%,电导率为85.57%IACS,硬度为HBS 69.34,抗弯强度为330MPa。与常规冷压烧结法相比,热压烧结法所制备复合材料的晶粒更加细小,增强相分布更加均匀,故其综合性能更加优异。     

利用反应烧结法制备多孔碳化物陶瓷

利用反应烧结的方法,通过甲烷碳化还原三种过渡金属氧化物(Cr₂O₃、TiO₂和WO₃)压坯,制备了其相应的多孔形态的碳化物(Cr₃C₂、TiC和WC)陶瓷.通过扫描电子显微镜观察检测,对反应烧结产物的表面和截面形貌进行了分析,并对这三种过渡金属碳化物的孔隙结构进行了初步的表征.通过物相分析研究了反应烧结的动力学过程,发现利用含体积分数10%甲烷的混合气体碳化还原制备多孔TiC和WC陶瓷的起始温度分别为1200℃和1000℃,低于这两个温度时发生其他相变,有其他中间产物生成.利用反应烧结的方法制备多孔Cr₃C₂陶瓷时,反应烧结温度越高,碳化铬陶瓷的骨架和孔隙平均尺寸越大.      

镀层对金刚石/玻璃复合材料性能的影响

为满足现代电子工业日益增长的散热需求,急需研究和开发新型高导热陶瓷（玻璃）基复合材料,而改善复合材料中增强相与基体的界面结合状况是提高复合材料热导率的重要途径.本文在对金刚石和镀Cr金刚石进行镀Cu和控制氧化的基础上,利用放电等离子烧结方法制备了不同的金刚石增强玻璃基复合材料,并观察了其微观形貌和界面结合状况,测定了复合材料的热导率.实验结果表明:复合材料中金刚石颗粒均匀分布于玻璃基体中,Cu/金刚石界面和Cr/Cu界面分别是两种复合材料中结合最弱的界面;复合材料的热导率随着金刚石体积分数的增加而增加;金刚石/玻璃复合材料的热导率随着镀Cu层厚度的增加而降低,由于镀Cr层实现了与金刚石的化学结合以及Cr在Cu层中的扩散,镀Cr金刚石/玻璃复合材料的热导率随着镀Cu层厚度的增加而增加.当金刚石粒径为100μm、体积分数为70%及镀Cu层厚度为约1.59μm时,复合材料的热导率最高达到约91.0 W·m-1·K-1.      

石墨烯化学镀铜及其对石墨烯/铜基复合材料组织性能的影响

以还原氧化石墨烯（reduced graphene oxide,RGO）和CuSO₄·5H₂O为主要原料,通过化学镀法得到铜包覆RGO复合粉体,再与铜粉混合得到含有不同质量分数RGO（0.2%、0.4%、0.6%、0.8%）的RGO/Cu粉末混合料,经压制及烧结得到RGO/Cu复合材料。通过X射线衍射仪（X-ray diffraction,XRD）、拉曼光谱仪（Raman spectroscopy,RS）和场发射扫描电镜（field emission scanning electron microscope,FESEM）等对RGO/Cu复合材料的微观组织和相关性能进行测试分析,并与由未镀铜处理的RGO所制备的RGO/Cu复合材料的组织性能进行对比。结果表明,经化学镀处理的RGO在RGO/Cu复合材料中分布较均匀,而未镀铜处理的RGO在基体中发生明显的团聚。RGO/Cu复合材料的导电导热性随石墨烯加入量的增加有所下降,但石墨烯的加入可有效提高RGO/Cu复合材料的力学性能,且由镀铜RGO所制备的RGO/Cu复合材料的性能要优于由未处理RGO所制备的RGO/Cu复合材料的性能。此外,RGO加入量对复合材料性能也有明显影响,当添加RGO质量分数为0.4%时,由镀铜RGO所制备的RGO/Cu复合材料的综合性能达到最好,其电导率达95.01% IACS,热导率达415.5W·（m·K）-1,而压缩屈服强度和抗拉强度分别为156.73 MPa和268.62 MPa,较相同工艺条件制备的纯铜的屈服强度（75 MPa）和抗拉强度（234.64 MPa）提升了109%和14.48%。     

水热法和氢气还原法制备纳米Mo–40Cu复合粉末及其烧结性能研究

结合水热法和氢气还原法制备纳米Mo–40Cu复合粉末,利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电镜等手段研究了氢气气氛下烧结工艺对Mo–40Cu复合材料组织和力学性能的影响。结果表明,最佳制粉工艺为水热温度400 ℃和氢气还原温度700 ℃,获得了均匀的Mo–40Cu复合粉末,粉末粒径为70~90 nm;在氢气气氛下最佳烧结工艺为1300 ℃保温2 h,合金的相对密度、抗弯强度、硬度、电导率和热导率分别为98.1%、1060 MPa、HRA 51、20.8 MS·m-1和191.7 W·m-1·K-1,热膨胀系数在500~700 ℃约为10.8×10-6 K-1,合金中组织均匀,晶粒细小,尺寸约为3~4 μm。     

Al2O3含量对放电等离子烧结Al2O3/Cu复合材料组织与性能的影响

以微米级Cu粉为基体相,纳米Al₂O₃颗粒为绝缘相,采用机械球磨和放电等离子烧结工艺相结合的方法制备Al₂O₃/Cu复合材料,研究Al₂O₃含量对复合材料微观结构、电阻率和热导率的影响。结果表明,Al₂O₃/Cu复合材料为核?壳结构,随Al₂O₃含量增加,Al₂O₃包覆层对Cu基体的包覆效果逐渐提升;当w(Al₂O₃)为5%时,Al₂O₃/Cu复合材料的热导率较高,为85.92 W/(m·K),但电阻率偏低,仅为12.6 mΩ·cm。当w(Al₂O₃)增加至15%时,虽然Al₂O₃/Cu复合材料的密度降至6.69 g/cm³,孔隙率较高,但电阻率显著提高至2.09×10⁸ mΩ·cm,约为Cu电阻率的10¹¹倍,且热导率为7.6 W/(m·K),明显高于传统金属基板的热导率。     

新型挤压轮钢4Cr3.75MoSiV的析出相对热疲劳性能的影响

开发的新型挤压轮用钢4Cr3.75MoSiV(/%:0.39C、0.95Si、0.35Mn、3.75Cr、1.25Mo、0.99V、0.009 5N)和常用挤压轮钢4Cr5MoSiV(/%:0.42C、1.20Si、0.38Mn、5.04Cr、1.14Mo、0.85V、0.035 0N)由10 kg真空感应炉熔炼,并锻成Φ18 mm试验用棒材,然后经880℃1 h+720℃1 h球化退火,1 080℃15 min油淬,550℃2 h+530℃2 h两次回火处理。研究了两种钢主要析出碳化物形貌、尺寸,析出比例和分布以及对500次600℃-室温连续热疲劳性能的影响。结果表明,含5.04%Cr的4Cr5MoSiV常用钢的析出物中V₄C₃+VC占12%,并有26%Cr₂₃C₆析出,而开发的4Cr3.75MoSiV新型钢中有利于提高热疲劳性能的析出物V₄C₃+VC占31%,未发现Cr₃₃C₆析出物;4Cr5MoSiV钢热疲劳损伤因子3.18×10^-3,连续热疲劳试验表面裂纹比热疲劳损伤因子为1.77×10^-3的新型4Cr3.75MoSiV钢表面裂纹粗大。      

18Mn18Cr高氮钢析出相特征及形成机制

通过金相显微镜、扫描电镜、电子探针显微分析、透射电镜及热力学计算软件研究C和N含量对铸态及时效态18Mn18Cr高氮钢析出相特征及形成机制的影响.研究发现在铸态,随C/N质量比降低,析出相依次为Cr₂₃C₆相、σ相和Cr₂N相.增加C或N含量可分别促进Cr₂₃C₆相和Cr₂N相析出.C和N含量影响实验钢凝固模式及不稳定铁素体相共析分解产物.18Mn18Cr0.44N钢凝固模式为AF模式,不稳定铁素体相共析分解反应为δ→σ+γ₂（0.025% C）和δ→γ₂+Cr₂₃（C_xN_y）₆（x/y>1）（0.16% C）;18Mn18Cr0.72N钢凝固模式为A模式,晶界处存在少量颗粒状Cr₂N相.在固溶时效态,实验钢仅析出片层状的Cr₂N_0.39C_0.61相.随C+N含量增加,片层状析出相体积分数和片层间隙增加,析出孕育时间减少.      

FeCrAl不锈钢的平衡凝固相变与析出行为

借助Thermo-calc软件对FeCrAl不锈钢所属的Fe-（18~21） Cr-（3~5） Al-（0~0.03） C-（0~0.2） Si-（0~0.2） Mn多元体系在凝固过程中的相变及析出行为进行了研究.采用Thermo-calc中TCFE7数据库对该体系的垂直截面图进行计算,分析了不同组元对凝固和冷却过程中相变的影响,并得到FeCrAl不锈钢的平衡凝固相变路径图.结果表明FeCrAl不锈钢由1600℃平衡冷却至300℃的过程中完整的平衡相变路径为:L→AlN+αδFe→AlN+αδFe+Cr₇C₃→AlN+αδFe+Cr₇C₃+Cr₂₃C₆→AlN+αδFe+Cr₂₃C₆→AlN+αδFe+Cr₂₃C₆+σ→AlN+αδFe+Cr₂₃C₆+σ+α'→AlN+αδFe+Cr₂₃C₆+α'.凝固过程中Cr₇C₃与σ相是否析出分别取决于体系中C、Si含量;Al含量的提高可扩大αδFe+Cr₇C₃的稳定区,降低α'相的析出温度,抑制σ相的析出;Cr含量的提高可以减小αδFe+Cr₇C₃的稳定区,扩大σ相和α'相的稳定区.      

挤压致密超细WC/纳米Al2O3弥散强化铜基复合材料的组织性能研究

以纳米Al₂O₃颗粒、超细WC粉末、工业纯Cu粉末为原料, 通过热挤压致密获得了超细WC/纳米Al₂O₃弥散强化铜基(WC-Al₂O₃/Cu)复合材料, 研究了挤压态WC-Al₂O₃/Cu复合材料的微观组织及力学性能。结果表明: 成分为5% WC-2% Al₂O₃/Cu和10% WC-2% Al₂O₃/Cu (质量分数)的两种原料粉末, 经机械球磨、冷压、真空烧结和热挤压后, 其相对密度均达到了99%以上, 超细WC和纳米Al₂O₃强化相颗粒呈均匀弥散分布, 具有很好的导电性及力学性能; 其中, 5% WC-2% Al₂O₃/Cu复合材料的综合性能更佳, 其抗拉强度达到235.06 MPa, 延伸率为15.47%, 导电率可达85.28% IACS, 软化温度不低于900℃。