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金属铜具有良好的塑性变形能力和优良的导电、导热性能,化学性能稳定,抗腐蚀性能好,目前应用十分广泛。但是,其强度、抗磨损和高温蠕变等性能却比较差。碳纳米管(CNTs)自发现以来,因其具有高的长径比和超强力学性能、高的电导率和热导率、低的热膨胀系数、耐强酸强碱和耐高温氧化等特性,而成为近年来重要的增强材料之一。碳硅化钛(Ti_3SiC_2)是一种新型结构—功能陶瓷材料,具有金属和陶瓷的优良性能,如低密度、高熔点、良好的导电导热性、高弹性模量、高断裂韧性、易加工等,同时还具有超低的摩擦系数和优良的自润滑性能。故本文尝试将碳纳米管强化铜与碳硅化钛弥散强化铜结合,制备CNTs/Ti_3SiC_2/Cu复合材料。该材料将综合碳纳米管、碳硅化钛和铜的优良性能,从而成为一种值得研究的新型铜基功能复合材料。
本文重点研究了碳纳米管的预处理及表面化学镀铜,应用X—射线衍射、透射电镜结合能谱研究碳纳米管表面的镀铜相组成及显微结构特征。通过在碳纳米管、碳硅化钛表面化学镀铜来解决其与铜的润湿性问题;通过球磨混料法来解决各相的分散性问题。
本文通过调整原料的起始配比,烧结温度等工艺参数,探索制备性能优异的CNTs/Ti_3SiC_2/Cu复合材料。重点研究了在800℃、850℃和900℃三个温度点下,采用热压烧结制备Ti—3SiC_2体积含量为10%—40%,碳纳米管体积含量为0-14%,其余为铜粉的复合材料的性能。应用四探针电阻率测量仪、HB—3000布氏硬度计及MTS—810型材料试验机研究复合材料的电性能和力学性能,应用扫描电镜研究复合材料显微结构。研究结果表明,在热压温度850℃,碳硅化钛含量为20%,碳纳米管含量为6%时复合材料的综合性能最佳。其电阻率为6.43μΩ·cm,硬度为106.67HBS,拉伸、弯曲、压缩强度分别为260.86 MPa、497.86 MPa、652.39 MPa。通过金相照片可见在碳纳米管含量低于10%时,各增强相在基体中分散较均匀。通过断面的扫描电镜分析了复合材料的显微结构。初步探讨了碳硅化钛及碳纳米管的增强增韧机制。碳硅化钛增强机理为晶粒细化和位错塞积;碳纳米管增强机理是其在基体中的拔出、桥接和细晶强化。