Cr2AlB2及其增强铜基复合材料的制备、微观结构与性能

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近年来,三元层状硼化物陶瓷Cr2AlB2由于具有纳米层状结构、导电导热性好、模量高、剪切变形阻抗较低、抗高温氧化性能好等优点正日益受到关注,在金属防护涂层、高温电极材料、燃气轮机结构件、吸波等领域具有广阔的应用前景。同时,Cr2AlB2也是制备二维层状材料CrBene的重要前驱体。此外,航空航天、电子技术等的迅速发展对铜提出了更高的要求,即在保证良好导电、导热等性能基础上,也需具有良好的力学性能、减摩耐磨等性能,这已成为电子电器、机械制造等工业领域的研究热点。引入增强相,研发高性能铜基复合材料是当前的热门课题。Cr2AlB2优异的性能使其有望用于铜基复合材料的增强相。制备高纯、结晶良好的Cr2AlB2粉体是急待解决的难点问题,也是开展相关性能研究的前提。目前Cr2AlB2粉体的制备存在工艺复杂、难以合成单相且所得粉体烧结严重等问题。因此探索Cr2AlB2粉体的制备方法对于深入认识其性能,并推动其工业应用无疑具有重要的意义。熔盐合成陶瓷因具有工艺简单、反应温度低、产物形貌可控等特点正日益受到关注。本文利用熔盐歧化反应,并结合熔盐自组装制备粒径均匀的Cr2AlB2粉体。进而采用热压烧结方法制备Cr2AlB2增强铜基复合材料,并研究其力学、摩擦性能。论文的主要研究内容和进展如下:(1)将2Cr/2Al/2B前驱体与等质量的(Na,K)Cl共晶盐混合、压片后,在1100℃保温0.5 h成功合成了较高纯度的Cr2AlB2。熔盐作为反应介质能够加速反应进程。Cr2AlB2粉体在900℃空气中氧化2 h表面能够形成具有保护性的Al2O3膜,故Cr2AlB2具有较优的抗高温氧化性能。(2)将Cr/1.05B与(Na,K)Cl共晶盐均匀混合,在850℃保温2 h能够合成高纯、细小(~1μm)而均匀的CrB粉体。其合成机制如下:首先,Cr粉在熔盐中溶解为Cr2+和Cr3+;随后,Cr2+在B粉表面歧化形成Cr原子;最后,Cr原子在B粉表面原位反应形成CrB。CrB和Al粉混合后在盐料比为15:1的熔盐介质中,于900℃保温2h可合成均匀且细小(~5 μm)的Cr2AlB2粉体。合成机制包括CrB和Al的互迁移、自组装以及Al向CrB的插层。系统自由能最小化是CrB颗粒和Al液滴在高温熔盐中快速装配的驱动力。(3)Cr2AlB2陶瓷粉体和Cu粉在850℃、40 MPa热压烧结1 h即可得到相对均匀、致密的陶瓷增强铜基复合材料。Cu中加入10 vol.%Cr2AlB2后,复合材料的硬度约提高至纯铜的2倍,抗拉强度为纯铜的168.98%,电导率为33.28%IACS。随Cr2AlB2含量升高,其屈服强度和抗拉强度进一步增大,而电导率和断裂延伸率降低。复合材料较高的硬度和强度得益于Cu(Al)固溶体和富Cr陶瓷的交叠结构与较强的界面键合。(4)Cu-20Cr2AlB2和Cu-25Cr2AlB2复合材料在2N和5N载荷下的磨损率低于纯铜的50%,摩擦过程中,复合材料的强界面键合和表面形成的均匀的机械混合层有助于提高耐磨性。Cu-20CrB和Cu-20Ni-P@Cr2AlB2复合材料在2 N载荷下的磨损率低于纯铜的50%,得益于其较高的硬度和磨痕表面形成的氧化物。
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