C/(Al-Cu)体系复合材料的热压烧结、微观结构与性能研究

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Al-Cu基复合材料结合了Al轻质高比强度、耐腐蚀性能好及Cu高导电导热性、良好的延展性等特点,被广泛应用于汽车、航空航天、国防等高科技领域。C是一种常用的复合材料增强体元素,在Al-Cu基复合材料中引入C元素,能够提高复合材料的综合性能和使用寿命。本文针对以往C/(Al-Cu)复合材料的制备过程中,Al、Cu易发生化学反应形成脆性金属间化合物、C与基体之间润湿性较低、界面结合性不好等问题,采用热解有机物原位生成C物质并结合热压烧结的方法制备C/(Al-Cu)复合材料。本论文首先将金属粉体与有机添加剂混合,调配金属Al、Cu粉配比,制备出混合均匀的料浆,将料浆真空干燥得到热解前驱体,研究表明热解前驱体的最高温度为520 oC,热解后有机物基本去除,并在基体中原位生成了热解C,同时体系中还有少量短链高分子残留。以热解后的C/(Al-Cu)复合粉体为原料,在真空热压条件下制备了不同配比的C/(Al-Cu)复合材料,并对制备出的C/(Al-Cu)复合材料进行了系统表征。研究结果表明,在490 oC-300 MPa-1.5 h的热压烧结工艺下可得到物相分布均匀、颗粒结合良好的复合材料,复合材料致密度均在94%以上。C/(Al-Cu)复合材料中,主要的物相是基体Al、Cu相,原位生成的热解C存在于Al、Cu颗粒的晶界之间,含量约为1.2%。部分Al、Cu颗粒发生反应生成了金属间化合物相,主要是Al2Cu和Al4Cu9。采用无碳存在的Al-Cu复合材料作为对照,分析了原位生成的热解C对C/(Al-Cu)复合材料结构与性能的影响。研究结果表明:与无碳的Al-Cu复合材料相比,C/(Al-Cu)复合材料中生成的金属间化合物相减少。分析认为Al、Cu晶界处的C物质一定程度上阻隔了Al、Cu之间的反应,减少了金属间化合物的生成。C/(Al-Cu)复合材料硬度随着Cu含量的增加呈现上升趋势,C/(40%Al-Cu)和C/(60%Al-Cu)复合材料硬度出现剧增,C/(60%Al-Cu)复合材料硬度达到最大值210 HV,这是因为Al2Cu和Al4Cu9相是硬脆性相,有效提高了复合材料硬度。Cu含量在0到60%之间时,复合材料的体积声速和波阻抗实验值的变化趋势和预测值的变化规律基本相符,在Cu含量升高至80%和95%时,实验值与预测值的差距增大,Cu含量95%时波阻抗值降幅达到21.9%。
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