TiB_2对铜_石墨基复合材料性能的影响

２．３ 导电性能
为 了 考 察 ＴｉＢ２ 和 镀 铜 ＴｉＢ２ 对 Ｃｕ－ 石 墨 复 合 材 料导电性能的影响， 测量了不同 ＴｉＢ（２ 或镀铜 ＴｉＢ２） 含量对复合材料中电阻率的影响。图 ５ 是电阻率与 ＴｉＢ（２ 或 镀 铜 ＴｉＢ２） 的 关 系 曲 线 。 从 图 ５ 看 出 ， 碳 含 量 为 １２％（ 不 添 加 ＴｉＢ２） 的 复 合 材 料 的 电 阻 率 为
８
５．６１０ ５．７５６ ５．８４３ ５．９７７
３１４
３５８
４０６
４６７
６９．０３８ ８４．３１７ ９４．７５３ １１０．０６７
后查表即得硬度值。 抗弯强度测试系按 ＧＢ１９９４．８－ ８８ 标准， 试样规
格为 ３８ ｍｍ×８ ｍｍ×４ ｍｍ， 在日本岛津材料试验机 上进行， 加载方向和压制方向平行。
由 表 １ 可 见 ， 镀 铜 ＴｉＢ２－ Ｃｕ－ 石 墨 复 合 材 料 较 ＴｉＢ２－ Ｃｕ－ 石墨 复 合 材 料 的 抗 弯 强 度 ２１％￣３８％， 可 见作为增强剂的 ＴｉＢ２ 颗粒镀铜后产生的增强效果非 常的显著。而硬度的变化却不大。由于铜 － 石墨复 合材料的强度大小主要取决于基体铜和镀覆铜的 ＴｉＢ２ 颗粒表面之间的结合力大小以及铜形成三维网 络结构完整的程度。ＴｉＢ２ 表面镀铜， 在很大程度上 提高了 ＴｉＢ２ 与基体之间的结合力， 有利于铜形成三维 网络结构， 从而使复合材料的抗弯强度显著提高。
２００７ 年 ２６ 卷第 ９ 期
稀有金属快报 ３１
ＴｉＢ２ 对铜 － 石墨基复合材料性能的影响
袁传勇， 许少凡， 张中宝， 赵清碧
（ 合肥工业大学， 安徽 合肥 ２３０００９）
摘 要： ＴｉＢ２ 与铜 － 石墨基复合材料 的 界 面 结 合 及 ＴｉＢ２ 在 基 体 中 的 分 布 是 影 响 复 合 材 料 性 能 的 重 要 因 素 。 为 提 高
图 ４ ４％Ｃ－ ８％ 镀铜 ＴｉＢ２ 的铜基复合材料的金相照片 ×４００ Ｆｉｇ．４ Ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈ ｏｆ Ｃｕ－ ｂａｓｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｏｆ ４％ Ｃ－ ＴｉＢ２ ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ８％Ｃｕ
图 １ 镀铜 ＴｉＢ２ 颗粒 的 ＳＥＭ 照片 Ｆｉｇ．１ ＳＥＭ ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈ ｏｆ ＴｉＢ２ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｃｌａｄ ｗｉｔｈ ｃｏｐｐｅｒ
收稿日期： ２００７－ ０７－ １６ 作者简介： 袁传勇， 男， １９８２ 年生， 硕士研究生， 合肥工业大学材料科学与工程学院， 安徽 合肥 ２３０００９，
电话： ０１３９６６７３６２１３
研发与应用
３２ Ｃ＋ＴｉＢ２， Ｃ＋ 镀铜 ＴｉＢ２ 为 １２％， 均为质量百分数。
采用模压法进行压制， 用润滑剂对粉末和压 模 进 行 润 滑 ， 压 机 压 力 ３００ ＭＰａ 。 使 材 料 的 体 积 密 度 达 到 在 烧 制 时 不 致 开 裂 ［４， ５］。 烧 结 温 度 ８００ ℃±１０ ℃ ， 保 温 ２ ｈ， 随 炉 冷 却 。 在 烧 结 过 程 中是用石墨和氧化铝粉末作填料保护试样， 比用 氢气保护烧结更方便， 且对铜基复合材料的性能 没有影响。
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稀有金属快报 ３３
１０．５３ μΩ·ｃｍ， 而 ４％ Ｃ－ ８％ ＴｉＢ２－ Ｃｕ 的 电 阻 率 为 ６．３９９ μΩ·ｃｍ， ４％ Ｃ－ ８％镀铜ＴｉＢ２－ Ｃｕ 的电阻率为 ５．３９６ μΩ·ｃｍ。图 ５ 曲线表明， 随 着 ＴｉＢ（２ 或 镀 铜 ＴｉＢ２） 的减少， 复合材料的电导率随之增加即导电性 能降低。但镀铜 ＴｉＢ２ 对复合材料导电性能的贡献比 ＴｉＢ２ 大得多。
［２］ Ｚｈｕ Ｍａｎｋａｎｇ（ 朱 满 康） ． 铜 镀 石 墨 粉 的 研 制 及 其 性 能 ［Ｊ］． Ｃａｒｂｏｎ（ 炭素） ， １９９６， （ ３） ： ２２￣２４
［３］ Ｗａｎｇ Ｗｅｎｇｆａｎｇ（ 王 文 芳） ， Ｘｕ Ｓｈａｏｆａｎ（ 许 少 凡） ． 镀 铜 石 墨 － 铜 基 复 合 材 料 组 织 和 性 能 研 究 ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉ－ ｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ 合肥工业大 学 学 报） ， １９９６ ， ２２（ １） ： ３５￣３７
含量烧结试样的几个物理参数。维氏硬度测试是以 相对两棱面夹角为 １３６°的金刚石正四棱角椎体为 压头， 在一定的载荷下压入试样表面， 保持规定时 间后卸载， 测量所得压痕两对角线， 取平均值， 然
表 １ 复合材料的几个性能参数 Ｔａｂｌｅ １ Ｓ ｅｖｅｒａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓ ｔｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓ ｉｔｅｓ
２．１ 试样制备
实验用原料为国产电解纯铜粉， 过孔径 ４９μｍ 的筛。石墨粉为上海胶体化工厂生产的试剂石墨粉 （ 粒 度 小 于 ３０ μｍ） 。 先 对 所 用 石 墨 粉 进 行 化 学 镀 铜， 镀后经清洗过滤， 采用红外线快速干燥。镀铜 石墨粉过孔径 ４９μｍ 的筛， ＴｉＢ２ 经化学镀铜后， 含 铜量为 ５０ ｗ％， 镀覆后的组织如图 １ 所示。由于铜 在空气中非常容易氧化， 导致粉末颜色呈棕黑色或 紫黑色， 因此混料前必须对其进行还原处理， 还 原是在 Ｈ２ 气氛炉中进行的 ， 加 热 到 ３８０ ℃， 保 温 ３０ ｍｉｎ， 随炉冷却到室温。冷却后的还原镀铜 ＴｉＢ２ 粉 过 孔 径 ４９μｍ 的 筛 。 这 样 可 以 防 止 还 原 的 镀 铜 ＴｉＢ２ 颗粒间发生团聚。将过筛的铜粉 、 石 墨 粉 、Ｔ ｉＢ２ 颗 粒 和 镀 铜 ＴｉＢ２ 颗 粒 按 设 计 的 ３ 类 复 合 材 料 试样粉料比进行称量， 然后在混料机中混料， 混 料方式为干混， 混合必须均匀。３ 类复合试样为： ① Ｃｕ－ 石 墨 （ 碳 粉） ， ② ＴｉＢ２－ Ｃｕ－ 石 墨 ， ③ 镀 铜 ＴｉＢ２－ Ｃｕ－ 石墨。所有试样的 Ｃｕ 含量为 ８８％， Ｃ 或
密度 ／ｇ·ｃｍ３ 纸氏硬度 ／ＭＰａ 抗弯强度 ／ＭＰａ
０
５．５０１ １９８ ６０．５２５
加入镀铜 ＴｉＢ２ 颗粒含量 ／％
２
４
６
８
５．８１２ ５．９５７ ６．０６３ ６．２８８
３３０
３６９
４２６
４８１
９５．１００ １１１．２９３ １２５．５７６ １３３．２０４
加入 ＴｉＢ２ 颗粒含量 ／％
２
４
６
料的电导率和强度明显提高。
关键词： ＴｉＢ２ ； 复合材料； 导电性； 镀铜 ＴｉＢ２
中图法分类号： ＴＢ３３１
文献标识码： Ａ
文章编号： １００８－ ５９３９（ ２００７） ０９－ ０３１－ ０４
１引言
２ 实验方法
硼化物陶瓷具有极高的熔点、高化学稳定性、高 硬度和优异的耐磨性， 基于这些优点， 成为复合材 料强化物的首选材料之一。在硼化物陶瓷中， ＴｉＢ２ 颗 粒是目前较有发展前途的 陶 瓷 颗 粒 增 强 材 料［１］， ＴｉＢ２－ 铜 － 石墨复合材料以其具有高的 导 电 性 和 导 热性以及良好的耐磨性， 在新型功能材料领域受到 广泛的关注［２］。但是该复合材料中 ， 由 于 ＴｉＢ２ 与 基 体两组分互不相溶， 并且它们的密度相差悬殊， 这 样， 使得传统的粉末冶金方法制备 ＴｉＢ２－ 铜 － 石墨 复合材料存在混料不均匀、界面结合强度低、复合 材料的显微组织中铜难以连成三维网络结构等严 重 问 题 。 从 而 影 响 材 料 的 物 理 和 力 学 性 能［３］。 为 此 ， 在 ＴｉＢ２ 颗 粒 表 面 通 过 化 学 镀 的 方 法 涂 覆 一 层 金 属 铜， 再与铜和石墨复合制备 ＴｉＢ２ 颗粒增强的石墨 － 铜复合材料。如此能够明显改善复合材料的组织形 貌， 使铜能够形成三维网络结构， 从而提高导电性 能， 同时由于 ＴｉＢ２ 颗粒的弥散强化， 使得复合材料 的强度明显提高。
材料的强度和电导率， 用镀铜 ＴｉＢ２ 制备复合材料。 通 过 金 相 显 微 镜 和 扫 描 电 镜 观 察 材 料 的 显 微 组 织 ， 并 测 试 其 电 导率。结果表明， 在粒度细小的镀铜 ＴｉＢ２ 表面均匀 包 覆 金 属 铜 ， 在 压 制 压 力 和 烧 结 温 度 合 适 的 条 件 下 ， 复 合 材 料 的组织均匀， 致密性好， ＴｉＢ２ 在铜 － 石墨基体中弥散分布， 铜基体形成连续三维网络结构， 这种组织形态使复合材
３结论
（ １） 采用压制压力为 ３００ ＭＰａ 左右， 烧结温度 为 ８００ ℃±１０ ℃， 保温 ２ ｈ， 随炉冷却的制备工艺，
可制备出性能优异的铜基复合材料。 （ ２） 化学镀铜的 ＴｉＢ２ 陶瓷颗粒能显著改善其与
铜 基 体 之 间 的 结 合 力 。 镀 铜 ＴｉＢ２－ Ｃｕ－ 石 墨 复 合 材 料中 Ｃｕ 因为形成了三维网络结构， 较 ＴｉＢ２－ Ｃｕ－ 石 墨复合材料的导电性和抗弯强度有大幅度提高。
参考文献 Ｒｅ ｆｅ ｒｅ ｎｃｅ ｓ
［１］ Ｚｈａｎｇ Ｚｈｏｎｇｂａｏ（ 张 中 宝） ， Ｘｕ Ｓｈａｏｆａｎ（ 许 少 凡） ． ＴｉＢ２ 表 面 镀 铜 工 艺［Ｊ］． Ｅｌｅｃｔｎｏｐｌａｔｉｎｇ ａｎｄ Ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ Ｔｒｅａｔｍｅｎ（ 电 镀 与 精饰） ， ２００６， ２８（ ６） ： ３４￣３６
［４］ Ｘｕ Ｓｈａｏｆａｎ（ 许少凡） ． 镀 铜 石 墨 粉 含 量 对 铜 － 镀 铜 石 墨 复 合 材 料 组 织 与 性 能 的 影 响 ［Ｊ］． Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｈｅａｔ Ｗｏｒｋｉｎｇ
研发与应用
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（ 热加工工艺） ， ２００３， （ １） ： １８￣２１ ［５］ Ｗａｎｇ Ｗｅｎｇｆａｎｇ（ 王 文 芳） ， Ｘｕ Ｓｈａｏｆａｎ（ 许 少 凡） ． 石 墨 表 面
２．２ ＳＥＭ 观察
采用粉末冶金方法制备普通的 ＴｉＢ２－ 铜 － 石墨 复合材料以及铜 － 石墨复合材料。取试样经过打磨 和抛光、浸蚀后用德国 ＭＭ－ ６ 金相显微镜观察组织 结构。
图 １ 是镀铜 ＴｉＢ２ 颗粒的 ＳＥＭ 照片。图 ２， ３， ４ 分 别 是 Ｃｕ－ 石 墨 ， ＴｉＢ２－ Ｃｕ－ 石 墨 ， 镀 铜 ＴｉＢ２－ Ｃｕ－ 石 墨 复 合 材 料 烧 结 试 样 的 ＳＥＭ 照 片 。 图 中 黑 色 部 分是石墨， 白色部分是 Ｃｕ 相（ 图 ２） 和 ＴｉＢ（２ 图 ３） 及 镀铜 ＴｉＢ（２ 图 ４） 。从图 ２ 看出， 大小不同的 Ｃｕ 颗粒 都是由石墨分割包围而分散孤立存在， 这种结果对 导电性和强度都是不利的。图 ３ 试样因为添加了 ８％ 的 ＴｉＢ２ 颗 粒 ， 可 以 看 出 ， 大 多 数 铜 颗 粒 借 助 ＴｉＢ２ 粒 子搭接连通形成了三维网络结构。图 ４ 试样 的增强 剂 为 镀 铜 ＴｉＢ２ 粒 子 ， 它 们 是 通 过 包 覆 的 铜 与基体铜接合， 更容易形成牢固的铜 － 铜冶金结 合， 从图 ４ 看 出 材 料 中 石 墨 相 分 布 更 加 均 匀 ， Ｃｕ 相几乎都相互连通造成更完善的三维网络结构， 这对提高材料的导电性和抗张强度及抗弯曲强度会 有更大的贡献。
Ｖｏｌ． ２６， Ｎｏ． ９， ２００７
图 ２ 碳含量 １２％的铜 － 石墨材料的金相照片 ×４００ Ｆｉｇ．２ Ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈ ｏｆ ｃｏｐｐｅｒ－ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ
１２％ ｃａｒｂｏｎ
图 ３ ４％Ｃ－ ８％ ＴｉＢ２ 的铜基复合材料的金相照片 ×４００ Ｆｉｇ．３ Ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈ ｏｆ Ｃｕ－ ｂａｓｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｏｆ ４％ Ｃ－ ８％ ＴｉＢ２
２．４ 硬度和抗弯强度的变化
表 １ 列 出 了 Ｃｕ－ 石 墨 ， ＴｉＢ２－ Ｃｕ－ 石 墨 ， 镀 铜 ＴｉＢ２－ Ｃｕ－ 石墨 ３ 类复合材料不同 ＴｉＢ（２ 或镀铜 ＴｉＢ２）
图 ５ 加入镀铜 ＴｉＢ２ 和未镀铜 ＴｉＢ２ 复合材料的电阻率与 ＴｉＢ２ （ 或镀铜 ＴｉＢ２） 含量的关系
Ｆｉｇ．５ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ＴｉＢ２ ｗｉｔｈ ａｎｄ ｗｉｔｈｏｕｔ Ｃｕ ｏｎ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ