碳化硅纳米颗粒增强纳米结构的微观结构和力学性能

纳米碳化硅强化纳米结构铜的微观结构的发展和力学性能摘要：纳米结构的铜和体积占百分之2的铜的碳化硅纳米复合材料是由

机械研磨和热压工艺生产的。微观结构的发展在制作过程中通过X射线衍射，电子显微镜扫描，透射电子显微镜扫描和电子反向散射衍射技术被研究。结果表明，铜的微观结构和铜基纳米复合材料由双峰和非随机取向差分布混合而成的等轴纳米晶粒构成的。在有碳化硅纳米颗粒精炼铜基质的晶粒结构的前提下，低角度晶界的比例增加。力学性能的评价通过压缩试验表现出屈服强度增强从505717兆帕的纳米铜到630712兆帕与2％（vol）的碳化硅强化金属。我们联系纳米材料的强度与其基于强化机制的微观结构特征。分析不同机制的作用包括奥罗万强化，大角度晶界和位错密度。它表明，高角度晶界的纳米结构材料在加强机制中发挥了重要的作用。提出并讨论了纳米粒子的影响。

关键词：铜纳米结构材料碳化硅晶粒尺寸强化机理

1.介绍

铜具有良好的成形性，优良的导电性和导热性，低成本的独特组合。这些优点使铜作为合适的铜基复合材料对于结构和功能应用的制备。它是有据可查的铜与陶瓷颗粒的加固显著改善了高温机械性能和耐磨性而没有让基质的导热和导电严重恶化。因此，铜基复合材料被认为是有前途的候选，在高导电性，高机械性能，和良好的耐磨性的应用中是必需的。近年来，纳米的增强早已被研究作为铜基复合材料的制备。它已经表明，少量细小的陶瓷颗粒如Al2O3，WC和TiB2的加入，提高了铜的强度而且电气和热导率都没有太大的影响。

在铜基复合材料中，铜基碳化硅复合材料因其优异的导电性和导热性、硬度、耐磨性和摩擦性能而受到越来越多的关注。铜基碳化硅复合材料已用于焊接电极，电触点，接触器，开关，断路器，和电子封装。粉末冶金方法，挤压铸造，复合电铸技术通常被用于制备铜基复合材料。

虽然大量的研究已经呈现出铜基碳化硅复合材料的制备和特性，但纳米碳化硅颗粒的加入和它们对铜基质的晶粒结构的影响已被告知有限。建华等人用电铸工艺制备纳米碳化硅颗粒增强铜。他们发现纳米颗粒精细分布在整个基体中，因此纳米复合材料表现出较高的硬度和良好的耐磨性。由雷恩卡等人进行电沉积的方法用微米和纳米尺寸的碳化硅颗粒加强铜。制备出来的铜基碳化硅复合材料表现出硬度与未加强的相比对于微米级别的碳化硅和纳米级别的碳化硅分别高出35%和61%。当然耐磨性也明显改善。铜基复合材料的力学性能如果铜基体的晶粒结构也会进一步提高。

近日，Shen和Guduru等人表明通过减小的铜晶粒尺寸到纳米范围内（小于100纳米），同时延展性几乎保持不变或提高使拉伸强度能提高到1GPa 的高值。如果在纳米结构的铜基体中的碳化硅纳米颗粒得到精细和均匀分布，纳米铜复合材料将具有独特的高导热性和导电性，以及优异的耐高温退火。

在本文中，我们使用高能量机械球研磨制备纳米晶铜和铜基碳化硅复合粉末。对粉末进行热压，并对其显微结构特征进行了研究。该材料的强度是

用压缩试验和晶粒结构的影响和评估存在纳米颗粒的机械性能来检验的。我们使用的强化机制的模型去联系微观结构特征与机械强度。

2.材料与实验程序

使用纯度为99.7%，颗粒尺寸小于20微米的铜粉和平均颗粒尺寸为40纳米的碳化硅尺寸（大于99%纯度，Nabond有限公司，深圳，中国）。准备纳米晶铜和Cu–2 vol% SiC纳米复合粉末通过采用元素粉末混合0.5 wt%硬脂酸（默克，德国）作为过程控制剂（PCA）进行研磨。在有氩气的行星式球磨机里保持室温研磨25小时。研磨速度和球料比分别为300 rpm和10:1。机械合金化的粉末被固结通过热压法，使用钢模 6 mm*6 mm*30 mm在压力150MPa，温度973 K环境下浸泡30分钟。

根据威廉姆森霍尔法测定球后铜基体的平均晶粒尺寸和晶格应变。使用D8 Advance型布鲁克衍射仪和铜嘉辐射（λ=0.154 nm）由0.021的步骤的X 射线衍射进行测定。进行透射型电子显微镜检查，使用铯校正STEM （JEM-2100 F），在200千伏下操作以评估铜的晶粒结构与基体内部的加强颗粒的分布。用扫描电镜观察了粉末颗粒的形貌和微观结构。利用使用场发射枪扫描电子显微镜（太阳神纳米实验室双光束，FEI，俄勒冈）的电子背散射衍射(EBSD; Hikari, EDAX, NJ) 测定晶粒大小的分布和晶界取向差。EBSD扫描是用x15000和10 nm的步长的放大倍数。样品表面制备完成后用胶体二氧化硅抛光。抗压试验使用英斯特朗5583以每秒0.0002应变速率进行，使用7.5毫米厚和5毫米的直径的圆柱形圆盘状样品。对于每一种材料的至少3次压缩试验拍摄。压缩试验过程中，通过能够在数字图像处理的基础上检测变形表面的三维坐标的光学应变计系统(ARAMIS 5 M) 测量精确应变。

3.结果与讨论

3.1MA的微观结构发展

纳米SiC的TEM照片如图1a所示。图1（b，c）表示粉末机械球磨25小时的SEM显微照片。可以看出，该复合粉末显示等轴形貌，Cu粉末显示了一些变平或圆盘状形态机械球磨即使经过25小时。由于铜和碳化硅之间的硬度差，碳化硅颗粒可以进入软的铜粉末形成一个扁平的复合粉末。随着球磨时间的延长，复合粉体通过反复低温焊接和压裂，形成一种球形复合粉体。粉末形态变化MA期间的详细资料已被其他研究人员报告。Cu粉末，由于压裂阶段的延迟时间，可以达到等轴形貌马持续时间超过25小时。

球磨25小时的粉末的X射线衍射图案示于图1D。晶粒尺寸（D）和晶格应变从前四个衍射线的加宽（FWHM）使用由威廉森和霍尔开发的方法来确定（1 1 120 0220，和3 1 1）。结果示于表1。

在机械研磨，将铜和铜基碳化硅粉体经历了沉重的循环变形。据认为，在机械研磨由粗粒度（CG）的结构的结构分解为严重的塑性变形的结果产生的纳米结构。NC微观结构的机械球磨发展的理解，已经被许多研究审查。机械研磨造成的具有纳米尺寸的SiC粉体增强的Cu基质成为比纯Cu粉末还小。SiC增强铜粉末的细颗粒的原因可以归因于在n-SiC存在严重的塑性变形和位错密度增加。

图 1.（一）纳米SiC颗粒的TEM照片，（B）SEM显微照片示出Cu粉末的形态（C）Cu –2 vol%的SiC纳米复合粉末的SEM照片示出的形态和（d）机械球磨粉末的X射线衍射图

表格1晶粒尺寸和机械研磨粉末的晶格应变

材料基体晶粒尺寸（nm）晶格应变（％）

NC铜粉21 0.37

NC Cu-2vol% SiC 粉

14 0.38

末

3.2 热固化材料的显微结构

图2a显示CU-2vol%的SiC纳米复合材料热固化后的微观结构。材料中含有均匀分布的纳米颗粒在铜基体。图2b示出放大的Cu-2vol％的SiC纳米复合材料的TEM显微照片。纳米复合材料的EDS能谱也在图2c所示，其对应的是n-SiC加强和铜基质。颗粒增强的量取决于每个粒子与位错的相互作用力和粒子的空间分布。颗粒的均匀分布，导致高的加工硬化，起因于超细晶金属基复合材料的颗粒位错相互作用。研究发现，减小尺寸和提高纳米颗粒的体积分数，贡献Orowan强化机制大大增加。研究发现，减少尺寸和提高纳米颗粒的体积分数，贡献Orowan强化机制大大增加。