CNTs-TiB2-TiC/Cu复合材料的制备及组织性能研究

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具有层叠结构的碳纳米管增强金属基复合材料(CNTs/MMCs)中,CNTs的分布方式得到优化,但是CNTs层叠间的金属基体却没有得到充分的强化。本课题在制备层叠结构CNTs/Cu复合材料的基础上,向CNTs层叠间的Cu基体中引入TiB2和TiC,得到了具有较高强度和良好导电性的多元增强CNTs-TiB2-TiC/Cu复合材料。借助光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)及能谱仪(EDS)分析了粉末形貌及复合材料组织特征。通过X射线衍射仪(XRD)及透射电子显微镜(TEM)分析了复合材料的物相组成。利用激光拉曼光谱仪(Raman)获取了复合材料中CNTs的结构信息,并结合复合材料性能优化了烧结温度。最后,测试分析了复合材料的电学和力学性能。得出以下结论:(1)吸附法可以得到CNTs分布良好的CNTs/Cu粉末。片状形貌的Cu粉表面平坦,有利于CNTs的吸附。300目电解Cu粉球磨8h后得到的片状Cu粉对CNTs吸附量为0.3wt%。(2)吸附法制备的CNTs/Cu粉末经过煅烧、冷压、热压烧结,可以得到致密的CNTs/Cu复合材料。Cu基体中CNTs的分布方式受片状形貌Cu粉的控制,在纵截面上呈层叠状分布。0.3CNTs/Cu的致密度为97.38%,硬度为60.2HB,导电率88.67%IACS。(3)在共同球磨TiH2、B4C、Cu三种粉末的过程中,B4C对基体粉末有明显的破碎作用。球磨过程中,复合粉末依次经历破碎,变形,焊合阶段。通过球磨可以得到两种片状粉末:一种是TiH2和Cu球磨8h获得的TiH2/Cu复合粉末;另一种是TiH2、B4C和Cu球磨8h获得的TiH2-B4C/Cu复合粉末。(4)在CNTs-TiH2/Cu复合粉末混粉添加B4C的过程中,CNTs发生了团聚;而且热压烧结制备的复合材料组织中,TiB2、TiC分布不均匀。直接采用TiH2-B4C/Cu复合粉末吸附CNTs的不仅可以保证CNTs良好的分散状态;而且热压烧结制备的复合材料组织中,CNTs呈层状分布,TiB2、TiC弥散分布,三种增强体分布方式都得到了优化。(5)在940~1060℃的烧结温度区间内,CNTs和Ti的界面反应程度随烧结温度的提高而加重。综合考虑CNTs的结构完整性及复合材料的性能。选取970℃作为优选的复合材料烧结温度。970℃烧结的复合材料导电率为53.22%IACS,强度为468MPa。复合材料断裂过程中,CNTs对裂纹两侧的Cu基体起到了桥接作用。复合材料经过12%变形量的冷轧后,导电率和强度分别提高到56.88%IACS、513MPa。
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