Cu-Al2O3復(fù)合粉末及復(fù)合材料的制備和組織性能研究

前言

隨著科技的快速發(fā)展，金屬基復(fù)合材料因其優(yōu)異的綜合性能在航空航天、電子封裝、汽車制造等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。Cu-Al2O3復(fù)合材料作為其中的一種重要類型，因其良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和機(jī)械性能而備受關(guān)注。然而，Cu與Al2O3之間的潤濕性差、界面結(jié)合強(qiáng)度低等問題限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。因此，研究Cu-Al2O3復(fù)合粉末的制備技術(shù)及其復(fù)合材料的組織性能具有重要意義。

Cu-Al2O3復(fù)合粉末的制備與表征

制備原理與方法

本研究采用機(jī)械合金化法結(jié)合熱壓燒結(jié)技術(shù)制備Cu-Al2O3復(fù)合粉末。機(jī)械合金化法通過高能球磨使Cu粉與Al2O3粉體在機(jī)械力的作用下發(fā)生混合、破碎和冷焊，形成均勻的復(fù)合粉末。隨后，通過熱壓燒結(jié)技術(shù)使復(fù)合粉末在高溫高壓下致密化，形成具有優(yōu)良性能的復(fù)合材料。

制備工藝優(yōu)化

通過調(diào)整球磨時間、球磨速度、球料比等工藝參數(shù)，研究了不同制備條件對復(fù)合粉末粒度分布、相組成及形貌的影響。結(jié)果表明，適宜的球磨時間和速度可以促進(jìn)Cu粉與Al2O3粉體的均勻混合和細(xì)化，提高復(fù)合粉末的致密度和均勻性。同時，合理的球料比有助于減少球磨過程中的能量損失和粉體污染。

表征結(jié)果與分析

利用X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）等現(xiàn)代分析手段對制備的Cu-Al2O3復(fù)合粉末進(jìn)行表征。XRD結(jié)果顯示，復(fù)合粉末中Cu與Al2O3相均保持原有晶體結(jié)構(gòu)，未發(fā)現(xiàn)明顯的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物。SEM和TEM觀察表明，復(fù)合粉末粒度均勻，Al2O3顆粒在Cu基體中分散良好，界面結(jié)合緊密。

燒結(jié)工藝

對Cu-Al2O3復(fù)合材料

微觀組織和性能的影響

不同燒結(jié)方式的

Cu-Al2O3復(fù)合材料微觀組織和性能

因常壓燒結(jié)無法滿足復(fù)合材料的燒結(jié)要求，因此使用熱壓燒結(jié)和SPS燒結(jié)的方式，圖4-2是使用熱壓燒結(jié)和SPS燒結(jié)后Cu-0.28wt.%Al2O3樣品的SEM圖和元素面分布圖，可發(fā)現(xiàn)熱壓燒結(jié)和SPS燒結(jié)后，在掃面電鏡下樣品表面僅有少量孔隙存在，表明材料的相對密度相對常壓燒結(jié)大幅提高。

圖4-3是不同燒結(jié)方式下Cu-0.28wt.%Al2O3復(fù)合材料的力學(xué)性能圖。常壓燒結(jié)后樣品的相對密度低，而且Al2O3顆粒團(tuán)聚明顯，因此造成材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度以及斷裂延伸率較低，各種性能均最差。對其進(jìn)行變形復(fù)燒，最后得到的樣品相對密度大幅提高，力學(xué)性能有一定提高，但仍然較低。熱壓和SPS燒結(jié)樣品的性能較高，說明彌散強(qiáng)化的效果顯著，同時也極大的降低了復(fù)合材料的塑性

從圖4-3（d）中可看到復(fù)合材料的硬度在使用熱壓燒結(jié)和SPS燒結(jié)時較高，這是由于兩方面的因素，一是樣品相對密度的提升，內(nèi)部存在的缺陷數(shù)量大大降低，而通過變形復(fù)燒的方式，雖然提高了相對密度，但內(nèi)部存在的缺陷仍然無法完全消除，因此其硬度沒有明顯提高。二是Al2O3顆粒的分布情況，其分布越均勻，顆粒尺寸越小，對復(fù)合材料的性能提升越大。

不同燒結(jié)溫度下

Cu-Al2O3復(fù)合材料的微觀組織和性能

圖4-6是不同溫度熱壓燒結(jié)后Cu-0.28wt.%Al2O3樣品的SEM圖，可發(fā)現(xiàn)隨著燒結(jié)溫度的升高，復(fù)合材料表面的孔隙數(shù)量先減少再增加，其中800℃燒結(jié)時孔隙最少，相對密度最高

圖4-7是不同溫度熱壓燒結(jié)后Cu-0.28wt.%Al2O3樣品的元素面分布圖，可發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，復(fù)合材料的元素面分布圖中，并沒有出現(xiàn)Al元素的團(tuán)聚。這是由于Al2O3的熔點高，在高溫下穩(wěn)定存在，在900℃下的Al2O3顆粒不會相互結(jié)合，出現(xiàn)聚集長大的現(xiàn)象。因此若復(fù)合材料中出現(xiàn)微米級大尺寸的Al2O3顆粒，主要的影響因素是在復(fù)合粉末的制備階段，需要調(diào)節(jié)粉末制備過程中的工藝參數(shù)，來改善Al2O3的分布情況。

圖4-8是Cu-0.28wt.%Al2O3復(fù)合材料不同溫度熱壓燒結(jié)后的力學(xué)性能圖。在800℃燒結(jié)時，樣品的力學(xué)性能最高。但隨著溫度的升高，復(fù)合材料的性能出現(xiàn)下降，且溫度越高性能越差。這主要是由于隨著溫度的升高，相對密度降低而導(dǎo)致。同時復(fù)合材料的硬度和延伸率也出現(xiàn)下降，在900℃時延伸率和硬度最低，僅為0.25%和78.3HV。