铜基自润滑复合材料摩擦磨损性能研究

铜基自润滑复合材料摩擦磨损性能研究前言随着电子技术、信息技术以及航空、航天技术等的迅猛发展，焊接电极、接触导线、轴瓦和集成电路引线框架、仪器仪表、电子通信器件中的接触元件等部件种类增多，需求量急剧增大，而且器件向高整化、高集成电路化、高密实装化等方向变化，要求材料不仅具有良好的导电性、导热性、弹性极限和韧性，而且还应具有较好的耐磨性、较高的拉伸强度、较低的热膨胀系数，并具有良好的成型性和电镀及封装性能。

很多金属材料虽然有较高的强度，但摩擦学性能较差。

采取合金化措施使硬组分分布在韧基体中，便可改善合金的摩擦学特性。

把几种各具不同特点的材料(如软金属和其他固体润滑剂)进行人工复合，构成复合材料，使各组分间能相互取长补短，从而得到力学性能、化学性能和摩擦学性能都较为理想的金属基复合材料。

铜具有很高的导电性、导热性，优良的耐腐蚀性能和工艺性能，广泛应用于电力、电工、机械制造等工业。

但是铜的屈服强度一般较低，高温下抗变形能力更低，因而限制了其进一步应用。

如何在不降低或稍降低铜的导电性等物理性能的前提下，提高铜的力学性能，是材料工作者研究的热点。

现有的铜基复合材料可分为显微复合铜合金、颗粒增强铜基复合材料及纤维增强铜基复合材料[1]。

显微复合铜合金是一种Cu-X二元合金，以其超高强度、高导电率以及良好耐热性能引起人们的重视，有望用于热交换器、推进器、焊接电板等。

颗粒增强铜基复合材料与铜基合金相比，具有更高的比强度和较好的高温强度，因而备受重视。

常用的颗粒有金属颗粒(如钢颗粒、钨颗粒等)和陶瓷颗粒(如SiC、A1 03、A1N 、TiC、TiB5 、ZrC、WC 、纳米碳管等)，其中以Al2 03颗粒和SiC颗粒研究得较多。

碳纤维／铜复合材料由于综合铜的良好导电、导热性，及碳纤维的高比强度、高比模量和低热膨胀系数，具备较高的强度、良好的传导性、减摩耐摩性、耐蚀性、耐电弧烧蚀性和抗熔焊性等一系列优点，已被广泛应用于电子元件材料、滑动材料、触头材料、集成电路散热板及耐磨器件等领域口。

这类材料的性能可设计性好，可通过控制碳纤维的种类、含量及分布来获得不同的性能指标，是一类很有发展前途的新型功能材料。

主题1、铜基复合材料的研究现状1-1、SiC颗粒增强铜基复合材料SiC颗粒增强铜基复合材料的制备主要有粉末冶金法、复合电铸法、复合电沉积法等，但不能采用液态法，原因是在高温液态下铜和SiC会发生严重的化学反应口而损害增强体。

香港城市大学s．C．Wjong等应用热等静压法制备了SiC颗粒增强铜基复合材料，并测定了其耐磨性能、屈服强度和维氏硬度，虽然其耐磨性能和维氏硬度提高了，但其屈服强度却比基体铜还低。

其原因是SiC颗粒和基体铜之间在固态条件制备下既不润湿，又没有界面反应，因而界面结合太弱了，Kuen-ming Shu等采用化学镀的方法在SiC颗粒表面包覆一层铜后通过粉末冶金法制备成型，并对比了无涂层和有涂层处理两种试样的显微组织和热膨胀特性，发现有涂层的界面结合较好，而且其热膨胀系数也能得到有效的减少。

上海交通大学湛永钟等也采用化学处理工艺在SiC颗粒增强物表面均匀地包覆了一层铜，使复合材料获得紧密的界面结合，图2 2 所示为其断口形貌，有SiC颗粒脱粘的明显迹象。

经过界面改性后，发挥了SiC 颗粒的增强作用，使复合材料获得了更高的强度和硬度，而电导率只有稍许下降。

1-2、碳纤维增强铜基复合材料对碳纤维／铜基复合材料制备工艺的探讨一直是该类材料的研究热点之一。

由于碳纤维与铜之间既不润湿，在固、液态下又不发生反应，因此在制备碳纤维／铜基复合材料时，首先遇到的难题就是解决两相之间的润湿性。

目前的研究主要从两个方面来改善润湿性：在基体中加入合金元素或对碳纤维进行表面处理。

由于合金元素的加入往往会在界面处形成反应层，造成纤维的损伤，影响复合材料的力学性能及导电性能，所以常用的方法是对碳纤维进行表面处理。

目前较有成效的纤维表面处理方法是在碳纤维的表面涂覆一层金属，最常见的是用涂覆铜来改善碳纤维与铜液的润湿性，以提高复合材料的界面结合强度。

碳纤维表面镀铜的方法很多，常用的方法有化学镀铜、电镀铜和气相沉积镀铜等。

无论采用何种镀铜方法，一般都要求在镀铜前对纤维进行表面清洗及改性处理。

目前，国内天津大学的王玉林和万怡灶等、合肥工业大学的凤仪等以及国外的C．Schrank等在这方面做了大量工作。

王玉林等通过在C f／Cu复合材料的基体Cu中添加不同的合金元素(Sn、Ni、Fe)来改善界面结合强度，他们制备C f／Cu复合材料采用的方法是连续三步电沉积后真空热压，其工艺流程为：碳纤维预处理一第一步电沉积Cu一第二步电沉积一第三步电沉积Cu一真空热压。

合金元素sn、Ni、Fe 的加入由第二步电沉积来实现。

热压后的C／Cu(无中间层)、C／Cu(Ni)、C／Cu(Fe)复合材料的界面结合强度分别为40．7MPa、65．8MPa和73．7MPa。

通过正交实验发现，对C／Cu(无中间层)复合材料，当Vr=0．32、T=700℃、P= 10MPa、t=40min时，其抗拉强度最大能达到586MPa；对C／Cu(Ni)复合材料，当V{=0．35、T一750℃、P=15MPa、t=60min时，最大抗拉强度为720MPa对C／Cu(Fe)复合材料，当Vf—O．40、T=700℃、P一15MPa、t：40min时，最大抗拉强度为625MPa 。

有人设计了一套特殊的碳纤维连续电镀装置。

该装置采用3级电镀，分别用3个整流器控制，采用焦磷酸盐镀液，在合适的工艺条件及设备上，可在碳纤维表面均匀、完整地电镀上一层铜，镀铜层完全由结晶铜组成。

此碳纤维电镀设备、工艺比其他方法简单，适用于工业化生产。

C．Schrank等为了模拟纤维镀铜实验，以碳板材为基板，将碳板用氮气等离子体清理(有的试样没有清理，以作比较)后采用磁控溅射法在其上溅射了约为300nm厚的一层铜，测得铜与碳板的结合强度约为750N／cm2，进行800℃退火处理后测得其结合强度下降到约为100N／cm2，与没有经过等离子体清理的试样差不多。

分析其原因发现，镀铜层球化反应润湿现象严重。

后来改进工艺，溅射了约为100nm厚的Mo作为中间层，进行800℃退火处理后发现其结合强度约为450N／cm2，显微分析发现涂覆的铜层没有再发生球化现象，这表明用Mo作为中间层能有效阻止铜涂层的反润湿，提高碳与铜的界面结合强度，为进一步改进C f／Cu复合材料界面指明了方向。

1-3、连续siC纤维增强铜基复合材料A．Brendel等采用的纤维为SCS-6SiC纤维，其表面为富碳涂层。

他们对直接纤维涂层法和引入Ti作为中间层两种方法制得的试样进行了对比。

直接纤维涂层法是指直接在SiC纤维表面电镀一层一定厚度的铜，然后将其装入铜制的包套中，抽真空并焊封后进行热等静压成型；引入Ti作为中间层是在纤维上溅射一定厚度的Ti(通常为几十到lOOnm左右)，然后溅射一定厚度的铜(用来防止钛的氧化)，再在已被涂覆的纤维上电镀一定厚度的铜(其厚度可根据复合材料纤维体积分数的要求确定)，最后也是按直接纤维涂层法一样进行热等静压成型。

A．Brendel等采用的分析方法为纤维顶出测试法和显微分析法。

利用纤维顶出试验能计算出界面剪切应力rd和界面摩擦应力rf，rd和rf的高低能直接反应复合材料的界面结合强度。

rd和rf越高，界面结合强度越高，则复合材料力学性能越好，反之亦然。

其测试结果表明：没有溅射Ti进行改性的界面剪切应力rd和界面摩擦应力rf均不到10MPa，纤维很容易被从基体里顶出所示，纤维和基体之间有较大的裂缝。

分析其原因可能是SiC纤维表面的富碳涂层与铜既不润湿和相互扩散，又不发生反应，这使得碳涂层犹如纤维和基体之间的润滑剂，因此纤维和基体之间的界面机械结合强度很低。

而纤维表面涂覆一层钛之后，钛和碳在一定温度下发生反应生成TiC。

这层TiC形成了一个从基体到纤维的过渡区，具有介于基体和纤维中间的物理性质，使其模量具有渐变特征，能使复合材料在受力过程中基体和纤维的承载均匀。

通过纤维顶出实验计算出涂覆钛之后的界面剪切应力和界面摩擦应力rf分别达到70MPa和54MPa，是没有涂覆Ti的界面结合强度1O倍左右，显著改善了纤维和基体之间的润湿性和界面结合情况。

另外，当载荷较高时C/Cu复合材料磨损表面塑性变形加剧且Cu和Fe富集明显，不利于发挥石墨态碳的固体润滑作用，因此C/Cu复合材料作为减摩材料不宜在40 N以上载荷下使用。

1-4石墨对混杂增强铜基复合材料摩擦磨损特性的影响近年来的研究发现，SiC、Al2O3、TiC等硬质陶瓷颗粒、晶须可显著提高复合材料的室温、高温耐磨性，而使其在汽车、航空工业获得很多应用。

然而，硬质颗粒单一增强的复合材料对配对材料的磨损较严重，且摩擦系数较大，限制了其在要求相对滑动平稳、摩擦噪音低的领域的应用。

石墨、MoS2等固体润滑剂添加到金属中可获得低的摩擦系数、低磨损率及优异的抗咬合性能。

但是，由于固体润滑颗粒的强度较低，会引起材料力学性能降低，在高载荷条件下由于发生剥层磨损而使得摩擦磨损性能下降。

近期的研究表明，使用性能不同的增强体混杂增强金属基体时，由于它们的共同作用而获得比单一增强复合材料更优异的力学和摩擦磨损特性。

因此，混杂增强复合材料的设计已成为结构功能一体化复合材料研究领域的重要方向之一。

2、碳纤维/铜基复合材料的主要制备工艺目前，碳纤维/铜基复合材料的制备方法主要有固态法(粉末冶金法、热压固结法等)和液态金属法(挤压铸造法、液态金属浸渍法、真空压力浸渍法等)2-1、粉末冶金法:粉末冶金法是一种应用较广泛的工艺方法，是将铜粉末充满在排列规整或无规则取向的短碳纤维间隙中，然后进行烧结或挤压成型，生产工艺过程见图1:用该方法制造的短碳纤维/铜复合材料具有较高的热导率以及可调节的热膨胀系数，具有良好的减磨、耐磨性能，可用做电接触材料。

但粉末冶金法制备材料，容易损伤纤维，工艺复杂，成本高，材料的导电率相对于其他制备方法偏低。

2-2、热压固结法:热压固结法是制备碳纤维复合材料的传统方法，其实质是扩散焊接，在塑性变形不大时，利用接触部位的原子在高温下相互扩散而使纤维和基体金属(铜箔叠层)结合到一起。

其中，预制片及热压过程是最重要的两个工序，直接影响复合材料中纤维的分布和界面的性能。

为了防止基体金属的氧化，热压过程必须在真空或保护性气氛下进行，其中热压温度和压力为主要工艺参数。

热压过程中，基体金属逐渐充填到增强纤维之间的间隙中，发生基体与纤维之间原子的相互扩散，形成复合材料。

在烧结过程中，由于加压烧结，避免了在粉末冶金法烧结过程中纤维回弹引起的密度下降，制得的复合材料孔洞少、致密度高、纤维分布均匀，相对粉末冶金法而言，对纤维损伤小，材料性能较好。