AlN和Al_2O_3纳米颗粒增强铜基复合材料
TiN,AlN／Al2O3复合陶瓷材料的研究
ＴＮ， ２ 粉 末 为原料 ， 行机 械混 合 ， ｉ Ａｌ Ｏ３ 进 热压烧 结【 。 ６ 例 如 ：李景 国等 人就 以纳 米 ＴＮ 和 ６Ａ ２ ３ 体为 原 ｉ ｔｌ 粉 ． Ｏ
料 热压制 备 了 ＴＮ． ２ ３ ｉ Ａｌ 纳米 复合 陶瓷 。 是这种 工 Ｏ 】但
ＴＮ Ａ Ｎ Ａ ２ 复合 陶瓷材料 的研 究 ｉ， Ｉ／ Ｉ Ｏ３
李爱 菊，孙 康 宁 ，龚红 宇 ，范 润华
（ 山东 大 学 材 料液 态 结 构 及 其 遗 传 性教 育 部 重 点 实验 室 工程 陶瓷 山东 省 重 点 实验 室 ， 山东 济南 ２ ０ ６ ） ５０１
摘 要 ：综 述 了 ＴＮ／ Ｉ ３ＡＮ／ Ｉ ３ ｉ Ａ ２ ， Ｉ Ａ ２ 以及 （ ，Ｉ ／ Ｉ ３ ０ ０ Ｔ ＡＮ） ２ 复合 材 料 的研 究 现 状 。并指 出颗 粒 增 韧 是 复 相 陶 瓷 材料 增 韧 Ａ Ｏ 最 简 单 的方 式 之 一 ，其 中纳 米 复合 、纳 微 米 复合 、 多相 复合 是 实现 颗 粒 增 韧 的有 效途 径 。 在 复 相 陶 瓷 的 制 备 中 ， 原位 反 应 烧 结 是很 有 希 望 的技 术 ，可 以直 接 在 基 体 中 生成 弥 散 分 布 的 超 细第 二 相 颗 粒 ，而使 复合 材 料 的性 能 大 幅度 提 高 。 关 键 词 ： 氧 化铝 ；氮 化 钛 ；氮 化铝 ； 复合 材 料 ； 原位 反 应 烧 结 中图 法 分 类号 ：Ｔ ３ ２ Ｂ ３ 文 献 标 识码 ：Ａ 文 章 编 号 ： １ｏ －８Ｘ（０７Ｓ －６４０ ｏ ２１５ ２ ０ ） １ ０ －４ ０
１ ＴＮ／ ２ 复合 陶瓷 的研 究 ｉ Ａｌ ｏ３
多尺度双结构Al3Ti颗粒增强铝基复合材料的制备及其强韧化机理
多尺度双结构Al3Ti颗粒增强铝基复合材料的制备及其强韧化机理多尺度双结构Al3Ti颗粒增强铝基复合材料的制备及其强韧化机理摘要：随着材料科学技术的不断发展，铝基复合材料受到了广泛关注。
本文以铝为基体，采用多尺度双结构Al3Ti颗粒增强技术制备了铝基复合材料，并研究了其强韧化机理。
通过SEM、TEM、XRD等手段对制备材料的微观结构进行了表征，并对其力学性能进行了测试。
结果显示，多尺度双结构Al3Ti颗粒增强铝基复合材料具有优异的强度和韧性，具备广阔的应用前景。
关键词：复合材料；Al3Ti颗粒；多尺度结构；强韧化机理1. 引言铝及其合金是重要的结构材料，在航空航天、汽车制造、电子设备等领域有广泛应用。
然而，纯铝的力学性能有限，不适合于高强度和高刚度的要求。
为了提高铝材料的力学性能，研究人员提出了多种增强方法，其中包括颗粒增强、纤维增强等。
2. 实验方法本实验所使用的原料包括纯铝粉、TiH2粉末和纳米Al3Ti颗粒。
首先，将纯铝粉和TiH2粉末按一定比例混合，并在氩气保护下进行球磨。
然后将球磨后的混合粉末与纳米Al3Ti颗粒进行干法混合，并在精细球磨机中继续球磨。
最后，将球磨后的混合粉末放入真空感应熔炼炉中，在熔炼温度下进行熔炼，得到Al3Ti颗粒分散均匀的铝基复合材料。
3. 结果与讨论通过SEM和TEM观察，发现制备的铝基复合材料中Al3Ti颗粒分布均匀，呈现多尺度双结构。
XRD分析结果显示，Al3Ti颗粒的晶体结构与单晶体相同。
力学性能测试表明，多尺度双结构Al3Ti颗粒增强铝基复合材料具有优异的强度和韧性。
其强韧化机理主要包括以下几个方面：3.1 Al3Ti颗粒的强化效应Al3Ti颗粒在铝基复合材料中具有很高的强化效应。
其颗粒形态可以有效阻碍晶体的滑移和蠕化，提高材料的塑性变形能力。
3.2 多尺度结构的协同效应本实验中采用了多尺度结构的Al3Ti颗粒增强技术，通过控制颗粒大小和分布范围，能够有效提高材料的综合力学性能。
双粒度AlN颗粒增强环氧树脂基复合材料导热性能数值模拟
１ ＡＮＳ ＹＳ导 热 模 拟 建 模 思路
Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ： Ｔ ｈｅ ｔ ｈｅ ｒ ｍａ ｌ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｖ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｒ ａ ｎ ｄｏ ｍ— ａ ｒ ｒ ａ ｎｇ ｅ ｄ Ａ１ Ｎ ｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ— ｉ ｆ ｌ ｌ ｅ ｄ ｅ ｐ ｏ ｘ ｙ ｃ ｏ ｍｐｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｓ ｗａ ｓ ｎ ｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｙ ｓ ｉ ｍｕｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｕｓ ｉ ｎ ｇ ＡＮＳ ＹＳ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ ． Ｔ ｈｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｏ ｆ ｉ ｆ ｌ ｌ ｅ ｒ ｃ ｏ ｎ ｔ ｅ ｎｔ ａ ｎｄ ｓ ｉ ｚ ｅ ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｎ ｔ ｈｅ ｒ ｍａ ｌ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｖ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｓ ｗａ ｓ ｓ ｔ ｕ ｄｉ ｅ ｄ ａ ｓ ｗｅ ｌ １ ．Ｉ ｔ ｗａ ｓ ｆ ｏ ｕ ｎｄ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ａ ｇ ｒ ｅ ｅ ｗｅ ｌ ｌ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｏ ｎ ｅ ． Ｆｉ ｎａ ｌ ｌ ｙ． ｔ ｈ ｅ ｏ ｐｔ ｉ ｍｉ ｚ ｅ ｄ ｉｌ ｆ ｌ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍｕｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｌ ｕｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｗｅ ｒ ｅ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｂ ｏ ｔ ｈ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ
ＷＥ Ｉ Ｙｏ ｎ ｇ — ｑ ｉ ａ ｎ ｇ ， Ｗ ＡＮＧ Ｔ ａ ｏ ，Ｚ ＨＵ Ｙａ 。 ｌ ｉ ｎ， Ｃ ＨＥ ＮＧ Ｗｅ ｎ — ｃ ｈ ａ ｎ ｇ
纳米氮化硼增强金属基复合材料的研究进展
第14卷 第9期 精 密 成 形 工 程收稿日期：2022–05–11基金项目：国家自然科学基金（52105259）；中国科学院海洋新材料与应用技术重点实验室浙江省海洋材料与防护技术重点实验室开放课题（2020K06）；江苏大学优秀青年人才基金（19JDG021，18JDG030）；江苏省研究生科研与实践创新计划（KYCX21_3328）；江苏省高校自然科学基金（19KJB460012）；江苏省博士后基金（2021K389C ） 作者简介：刘振强（1996—），男，博士生，主要研究方向为金属基复合材料。
刘振强，王匀，李瑞涛，何培瑜，刘宏，刘为力（江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013）摘要：在金属中添加陶瓷增强相是调控和改善金属材料结构和性能的重要途径。
传统硬质陶瓷增强相难以满足金属材料日益严苛的应用需求。
以氮化硼纳米片（boron nitride nanosheet ，BNNS ）和氮化硼纳米管（boron nitride nanotube ，BNNT ）为代表的纳米氮化硼具有极大的比表面积和优异的力学性能、热稳定性、化学稳定性等，是制备性能优异的金属基复合材料的理想增强相。
系统总结了纳米氮化硼的种类和特征，综述了纳米氮化硼增强金属基复合材料的制备方法，归纳了纳米氮化硼增强Cu 、Al 、Ti 复合材料的研究成果，总结了纳米氮化硼/金属复合材料的力学和摩擦学性能，并揭示了复合材料性能改善的机理。
最后，展望了纳米氮化硼/金属复合材料的发展趋势。
关键词：纳米氮化硼；金属基复合材料；力学性能；摩擦学性能DOI ：10.3969/j.issn.1674-6457.2022.09.017中图分类号：TB331 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2022)09-0119-12Research Progress of Nano-boron Nitride Reinforced Metal Matrix CompositesLIU Zhen-qiang , WANG Yun , LI Rui-tao , HE Pei-yu , LIU Hong , LIU Wei-li(School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Jiangsu Zhenjiang 212013, China)ABSTRACT: The introduction of ceramic fillers into metal is an effective way to optimize the microstructure and enhance the properties of metal. Traditional hard ceramic reinforcements are difficult to meet the rising application requirements of metal materials. Nano-boron nitrides such as boron nitride nanosheet (BNNS) and boron nitride nanotube (BNNT) are ideal fillers for high-performance MMCs due to the large specific surface areas and excellent mechanical, chemical and thermal properties. The types and performance of nano-boron nitrides were systematically reviewed. The preparation method of nano-boron nitride re-inforced metal matrix composites was introduced. The research works that led to the advances in nano-boron nitride reinforced Cu, Al, and Ti matrix composites were summarized. The mechanical and wear properties of nano-boron nitride/metal composites were concluded, and the mechanisms improving performance of composites were also revealed. Finally, the promising outlook of nano-boron nitride/metal composites is prospected.KEY WORDS: nano-boron nitride; metal matrix composite; mechanical properties; wear properties航空航天、深海舰船、汽车交通、核电、化工、能源等领域的迅猛发展使金属基复合材料的服役条件日趋复杂和苛刻。
铜基复合材料
纳米材料增强铜基复合材料的制备技术和最新研究动态及发展趋势摘要:纳米颗粒增强铜基复合材料具有独特的结构特征、优异的力学性能, 与纯铜近似的导电、导热性能, 是一种有着广泛应用领域的功能材料。
论述了碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法以及制备工艺对复合材料性能的影响, 并对将来材料的研究方向进行了展望。
关键词:纳米颗粒铜基复合材料增强相引言铜及铜合金具有优异的导电、导热性能, 优良的耐蚀性能和工艺性能等特点, 在电子、电力等工业部门有广泛的用途, 但铜及铜合金的强度低, 耐磨性差,高温下较易软化变形, 使其应用受到了很大限制。
因此, 如何在保持铜及铜合金优异性能的前提下, 使强度大幅度地提高已成为铜基复合材料研究开发的主要任务。
颗粒增强就是将所需增强的颗粒分布在铜基体中, 使铜基复合材料的综合性能得到改善, 增强颗粒是位错线运动的障碍, 位错线需要较大的应力才能克服阻碍向前移动, 实现颗粒增强相与铜基体的优势互补, 从而提高铜基复合材料的性能, 使材料的强度、耐磨性及高温下的性能大大提高, 同时, 颗粒只占基体的极小的体积分数, 因而不致影响铜基体固有的物理化学性质, 故材料的导电性、导热性又没有明显降低。
但是外加的增强颗粒较粗大, 容易在基体中发生偏聚, 热力学上也不稳定, 而纳米颗粒具有小的尺寸效应、表面效应、量力尺寸效应和宏观量子隧道效应等特性, 呈现出许多奇异的物理、化学性质, 实验表明, 在增强一定的相体积情况下, 颗粒越细, 颗粒数越多, 粒子间距也越小, 材料性能改善得越好。
1 纳米颗粒增强相的类型及选用原则目前为止, 所采用的纳米颗粒增强相的类型很多, 有各种陶瓷、玻璃、金刚石、石墨等, 按照形态分类主要有纳米纤维和纳米颗粒。
各种纳米颗粒增强相见表1。
2 碳纳米管增强铜基复合材料碳纳米管（carbon nanotubes，CNTs）是一种中空结构的一维纳米材料，具有密度小、强度大、比表面积大、导电和导热性能优良、热膨胀系数低及耐强酸强碱等特性。
功率器件热界面材料研究进展
随着功率器件向微型化、集成化快速发展，其产生的功率密度随之显著增加，对散热技术也提出了更高的要求。
热界面材料用于填充固体界面间的气体空隙，减小界面接触热阻，因而在功率器件热管理中发挥着重要的作用。
本文综述了近年来国内外热界面材料的研究进展，包括单一基体的热界面材料、聚合物基复合热界面材料和金属基热界面材料等，讨论了各类界面材料的强化换热效果及机理。
总结了热界面材料发展过程中面临的问题，并展望未来的研究方向。
随着第三代半导体和微电子集成技术的快速发展，功率器件及其设备，如相控阵雷达、大功率 LED、高性能数据中心、智能手机、医疗设备等体现出性能高、体积小、集成度高的发展特点。
但高密度的封装使功率器件内部热流密度大幅升高，局部发热功率增大，对器件的性能和寿命造成严重影响，因而需要通过散热器将这部分热量及时导出。
由于固体表面粗糙度的影响，芯片与散热器、封装外壳与散热器之间会存在大量充满空气的间隙，而空气的导热系数只有 0.01～0.04 W·m−1·K−1，大大降低了导热效率，因此需要填充具有高热导率的热界面材料来构造有效的导热通路。
本文通过综述热界面材料的研究现状，分析不同种类热界面材料的导热机理和影响因素，最后展望热界面材料未来的发展方向。
1功率芯片的散热方式分为直接式和间接式，如图 1 所示。
直接式是通过热沉直接将芯片所产生的热量与外部环境进行热交换；间接式先将芯片的热量传递到封装外壳，由外壳将热量传递至热沉，再与外界进行热量交换。
在功率器件与散热器直接接触时，由于固体表面不是绝对光滑的，二者的实际接触面积仅为表观接触面积的 1%～2%，界面之间存在大量的间隙，而这些间隙会被导热率极低的空气填充，增加了界面热阻。
图 1 芯片的两种散热方式 (箭头为主要热流方向)热界面材料 (Thermal Interface Materials, TIM) 是一种用于填充固体材料间气体空隙的材料，如图 2 所示，可以提高界面导热系数，优化功率器件热管理性能，从而提升功率器件可靠性，延长使用寿命。
弥散强化铜基复合材料的现状与发展[1]
![弥散强化铜基复合材料的现状与发展[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/8951f5c5d5bbfd0a79567398.png)
! 56 ! 综述
# 安塞尔一勒尼尔机理。安塞尔等对弥散强 化合金的屈服提出了另一个位错模型, 把由于位 错塞积引起的弥散第二相粒子断裂作为屈服的判
3 弥散强化铜的性能分析 3. 1 物理、机械性能
弥散强化铜与纯铜相比表现出优良的耐高温
据, 即当粒子上的切应力等于弥散粒子的断裂应 特性, 表 1、2 列出了美国 SCM 公司生产的 Glid
梅山科技
2009 年第 1 期
弥散强化铜基复合材料的现状与发展
宣守蓉 范鲁海 ( 梅山钢铁公司技术中心 南京 210039)
摘 要: 弥散强化铜基复合材料具有高温强度、高导电、导热的特性, 具有不可替代的作 用。以氧化铝弥散强化铜复合材料为例, 综述其制备工艺、性能分析、强化机理及应用领域, 并 预示了其在冶金企业应用的美好前景。
用粉末冶金法制备弥散强化复合材料的基本 原理是利用固态金属粉末和增强材料在一定温度 和压力下, 金属在增强材料周围被迫流动、扩散, 从而粘接在一起。粉末冶金法的主要工艺过程包 括: 制取复合粉末、复合粉末成型、复合粉末烧结。 这种方法用于制备颗粒弥散强化铜基体材料, 工
艺成熟, 材料性能也比较好。与内氧化法繁杂的 工艺、较多的影响因素相比, 该工艺过程简单, 易 于控制。最关键的是用粉末冶金法可以按要求制 备指定粒径和含量的弥散强化复合材料。粉末冶 金法常与精整、浸油、机加工、热处理以及轧制、热 锻等制造工艺紧密结合。 1. 3 内氧化法
Al_2O_3弥散强化铜基复合材料的研究现状与进展_国秀花
较高的 N O 较低 N Al D O D Al 一定温度下的时间
一定的 N O、温 度 和氧分压下的 N O、D O 、D Al 最高内氧化速度
温度、氧分压和铝含 量、微观结构
原材料规格
由文献[ 18, 19] 可知, 温度 T 和 CuO、Cu2O、 A l2O 3 形成或分解的临界氧分压 P O ( Pa) 之间的
使弥散强化铜综合 性能有了大幅 度提高。1973 铜加工厂技术研究中心、沈阳有色金属加工厂等
第 21 卷第 4 期
国秀花等 : Al2 O3 弥散强化铜基复合材料的研究现状与进展
43
高校和科研单位在进行这种材料的研究, 但大部 分仍处于试验阶段。
内氧化法制备 Al2O3 弥散强化铜基复合材料 的常用生产工艺如图 3 所示:
学性质极为稳定, 使 Al2O3 弥散强化铜基复合材 A l2O 3 弥散强化铜基复合材料的条件见表 1。
料具有很好的热力学稳定性。内氧化法是目前规
选择 Cu-Al 合金进行内氧化, 很好地满足了
模化生产 Al2O3 弥散强化铜基复合材料的最佳方 法[ 12, 14~ 16] 。
上述条件, 为 A l2O3 弥散强化铜基复合材料的制 备提供了最基本的前提条件。
复合电沉积是近 20 年来发展起来的制备金属 基复合材料的新方法。它是将镀液中的 A l2O3 颗 粒与基体金属 Cu 共沉积到阴极表面形成复合镀 层, 工艺路线如图 1 所示。该法不需要高温高压等 条件, 制备工艺简单、成本低、成分可控性好。但颗
收稿日期: 2006- 01- 17 基金项目: 河南省重点科技攻关项目( 0523021500) ; 洛阳市重点 科技攻关 项目; 河 南科技大 学重大预 研科学 研究基金 资
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第28卷第9期 2005年9月合肥工业大学学报(自然科学版)JOURNA L OF HEFEI UNI VERSITY OF TECH NO LOGYVol.28No.9 Sept.2005 收稿日期:2005207204基金项目:安徽省“十五”二期科技攻关资助项目(040020392);合肥市重点科技攻关资助项目(20051044)作者简介:吴玉程(1962-),男,安徽合肥人,合肥工业大学教授,博士生导师.AlN 和Al 2O 3纳米颗粒增强铜基复合材料吴玉程, 王涂根(合肥工业大学材料与科学工程学院,安徽合肥 230009)摘 要:用粉末冶金法制备了Cu/AlN 和Cu/Al 2O 3两种复合材料,研究了两种纳米颗粒含量对复合材料性能的影响和复合材料的软化温度,并探讨了相关机理,比较了AlN 和Al 2O 3纳米颗粒的增强效果。
结果表明,在烧结过程中,弥散分布在铜基体中的AlN 和Al 2O 3纳米颗粒细化了晶粒;随着复合材料中AlN 和Al 2O 3质量分数的增加,材料的密度和导电性都呈下降趋势,而硬度出现极大值;两种复合材料的软化温度均达到700℃,远远高于纯铜的软化温度(150℃),从而提高了材料的热稳定性;综合各种因素考虑,AlN 纳米颗粒对铜基体的增强效果要优于Al 2O 3纳米颗粒。
关键词:粉末冶金;复合材料;纳米颗粒;导电性;硬度;软化温度中图分类号:T B331;TF12;TG 113.25 文献标识码:A 文章编号:100325060(2005)0921031205Copper matrix composites reinforced with Al N and Al 2O 3nano 2particlesW U Y u 2cheng , W ANG Tu 2gen(School of M aterial Science and Engineering ,Hefei University of T echnology ,Hefei 230009,China )Abstract :Both Cu/AlN and Cu/Al 2O 3com posites were fabricated by the powder metallurgy method.The in fluence of the content of tw o kinds of particle on the properties of com posites and the s oftening tem perature of com posites are studied and relevant mechanism is discussed and rein forcement effects of AlN and Al 2O 3are com pared.The results show that AlN and Al 2O 3dispersed in copper matrix can refine the grain size.With an increase in AlN and Al 2O 3addition ,both the density and conductivity of the com posites drop ,whereas the value of hardness comes to the peak.The s oftening tem perature of the tw o kinds of com posite is at about 700℃which is far higher than that of pure copper ,leading to im provement of the tem perature stability.C onsidering all factors ,the rein forcement effect of AlN is better than that of Al 2O 3.K ey w ords :powder metallurgy ;com posite ;nano 2particle ;conductivity ;hardness ;s oftening tem perature 20世纪80年代Rey 、K omermeni 等材料科学家提出了纳米复合材料的概念,即由两种或两种以上的不同材料组成,其中至少有一组在一维上呈纳米级大小[7]。
研究表明[8],在铜基体中引入纳米分散相进行复合,可使材料的力学性能得到极大改善,其中最突出的作用有:①大幅度提高高温强度;②提高基体的软化温度。
考虑到AlN 和Al 2O 3都是陶瓷相,都具有稳定的高温性能,两者和铜的密度相差都很大,所以本文尝试在铜中加入不同质量分数的AlN 纳米粉和Al 2O 3纳米粉,探索它们对铜的增强效果,以达到获得具有良好的导电性与强度统一的纳米复合材料。
1 实验方法实验原料为:纯度为99.9%、粒度为200目电解铜粉,纯度为99.9%、粒度为50nmAlN 粉和Al 2O 3粉。
将预先经过退火处理的粉末混合球磨24h ,制粒、添加润滑剂和成型剂、压型,制成规格为40mm ×8mm ×5mm 的试样。
试样的AlN (试样标号为A )和Al 2O 3(试样编号为B )质量分数见表1所列。
压力机压制力为15t ,保压30s ,压制后的样品在890℃下烧结。
表1 样品中AlN 和Al 2O 3质量分数样品编号A 1A 2A 3A 4A5B 1B 2B 3B 4B 5质量分数/(%)0.30.50.71.01.52 Cu/AlN 组织分析和性能表征方法试样经打磨、抛光后在X JL 202型立式金相显微镜下观察其金相组织,并对其进行组织拍照。
本实验采用浸入法测定了所制试样烧结前后的密度,然后根据公式m =ρ/v 得出烧结前后密度。
采用H V 210型号维氏硬度计测量试样的维氏硬度。
每个试样打3个点,记录每个点的对角线的长度后算出其平均长度,然后计算这3个点对角线的平均值,根据H V =1.8544F/d 2[9]公式计算出其维氏硬度。
本实验根据G B1994.2-88国家标准,采用伏安法测量试样电阻率。
计算公式为ρ=Ubw/I L 。
测量电路图如图1所示。
1.毫伏表2.电位针3.试样4.弹性铜接触极5.电流表6.直流电源7.开关8.变阻器图1 伏安法测量电阻率电路图3 实验结果与讨论3.1 金相组织增强颗粒在基体中分布状况在很大程度上取决于混粉的结果。
实验证明,纳米颗粒比表面大,表面活性高,更容易团聚。
AlN 、Al 2O 3和铜又不发生浸润,密度悬殊大,很难通过常规的机械混合方法将AlN 和Al 2O 3纳米颗粒均匀分布到铜基体中。
从图2可以看出,当AlN 和Al 2O 3的质量分数较少时,在铜基体中分布比较均匀,基本没有团聚,细化了晶粒;随着两种纳米粒子质量分数的增加,它们在铜基体中发生团聚,使复合材料的性能下降,这和后面性能测试结果相吻合。
(a )Cu 20.3AlN (×200) (b ) Cu 21.5AlN (×300) (c ) Cu 20.3Al 2O 3(×200) (d ) Cu 21.5Al 2O 3(×200)图2 复合材料金相组织2301 合肥工业大学学报(自然科学版)第28卷 3.2 AlN 和Al 2O 3质量分数对材料密度的影响密度对于粉末冶金来说是一个重要的物理量,它很大程度上决定着材料的物理和力学性能[10]。
图3是Cu/AlN 和Cu/Al 2O 3复合材料的密度随AlN 和Al 2O 3质量分数变化的曲线。
从图3中可以看出,随着复合材料中AlN 和Al 2O 3质量分数的增加,烧结体的密度总的趋势是下降的。
一方面,由于AlN 和Al 2O 3的密度比Cu 密度小,因而随着AlN 和Al 2O 3质量分数的增加,必然会降低Cu/AlN 和Cu/Al 2O 3复合材料的密度;另一方面,铜的熔点为1083℃,因此在890℃下的烧结属于固相烧结,根据烧结理论[11],此时压坯烧结致密化的主要机制以各种固态扩散和黏性流动机制为主。
AlN 和Al 2O 3纳米颗粒的弥散分布阻碍了Cu 原子的扩散,AlN 和Al 2O 3的质量分数越大,阻碍作用越明显,表现为材料的密度随AlN 和Al 2O 3质量分数的增加而下降。
这也从另一个角度证明,AlN 和Al 2O 3纳米颗粒的加入通过阻碍部分铜晶粒在烧结过程中长大而起到了细化铜晶粒的作用。
因此,Cu/AlN 和Cu/Al 2O 3复合材料必须经过复压、复烧等二次加工才能获得更加理想的致密度,从而使Cu/AlN 和Cu/Al 2O 3复合材料的力学性能得到更加显著的提高。
另外,由于Al 2O 3的密度比AlN 的密度大,所以Cu/Al 2O 3复合材料密度曲线在Cu/AlN 的上面,如图3所示。
w /(%)1.Cu/AlN2.Cu/Al 2O 3图3 Cu 基纳米复合材料密度随AlN 和Al 2O 3质量分数的变化3.3 AlN 和Al 2O 3的质量分数对硬度的影响图4是Cu/AlN 和Cu/Al 2O 3复合材料的硬度随AlN 和Al 2O 3质量分数变化的曲线。
分析图4可看出,硬度都随AlN 和Al 2O 3质量分数的增加先升高而后降低。
从图2可看出,AlN 和Al 2O 3纳米颗粒均匀分布于铜基体中,达到了很好的强化和硬化效果。
但如果AlN 和Al 2O 3的质量分数过多,则晶界上的AlN 和Al 2O 3分布过多,影响了烧结过程中相邻颗粒间结合和材料的致密化,反而会使硬度下降。
w /(%)1.Cu/AlN2.Cu/Al 2O 3图4 Cu 基纳米复合材料硬度随质量分数的变化本实验中,在AlN 和Al 2O 3的质量分数为1%时,硬度值达到最大。
从图4可以看出,当AlN 和Al 2O 3质量分数相同时,Cu/AlN 复合材料的硬度比Cu/Al 2O 3复合材料的硬度高,而一般情况下,强度和硬度成正比。
因此,AlN 纳米颗粒比Al 2O 3的增强效果要好。
3.4 AlN 和Al 2O 3质量分数对电阻率的影响按照马德森定则[12]由多种彼此独立的散射过程所产生的电阻率等于各散射过程所产生的电阻率之和。
晶体结构的不完整性和晶格振动是晶体中两类彼此独立的散射源。
晶体的不完整性有杂质和缺陷(空位、间隙原子、晶粒、晶界和位错等)。
一方面,AlN 和Al 2O 3纳米颗粒的引入,成为铜晶体中的杂质,对电子有散射作用,增加了复合材料的剩余电阻率。