铜基自润滑复合材料摩擦磨损性能研究

铜基自润滑复合材料摩擦磨损性能研究

前言

随着电子技术、信息技术以及航空、航天技术等的迅猛发展，焊接电极、接触导线、轴瓦和集成电路引线框架、仪器仪表、电子通信器件中的接触元件等部件种类增多，需求量急剧增大，而且器件向高整化、高集成电路化、高密实装化等方向变化，要求材料不仅具有良好的导电性、导热性、弹性极限和韧性，而且还应具有较好的耐磨性、较高的拉伸强度、较低的热膨胀系数，并具有良好的成型性和电镀及封装性能。

很多金属材料虽然有较高的强度，但摩擦学性能较差。采取合金化措施使硬组分分布在韧基体中，便可改善合金的摩擦学特性。把几种各具不同特点的材料(如软金属和其他固体润滑剂)进行人工复合，构成复合材料，使各组分间能相互取长补短，从而得到力学性能、化学性能和摩擦学性能都较为理想的金属基复合材料。铜具有很高的导电性、导热性，优良的耐腐蚀性能和工艺性能，广泛应用于电力、电工、机械制造等工业。但是铜的屈服强度一般较低，高温下抗变形能力更低，因而限制了其进一步应用。如何在不降低或稍降低铜的导电性等物理性能的前提下，提高铜的力学性能，是材料工作者研究的热点。

现有的铜基复合材料可分为显微复合铜合金、颗粒增强铜基复合材料及纤维增强铜基复合材料[1]。显微复合铜合金是一种Cu-X二元合金，以其超高强度、高导电率以及良好耐热性能引起人们的重视，有望用于热交换器、推进器、焊接电板等。颗粒增强铜基复合材料与铜基合金相比，具有更高的比强度和较好的高温强度，因而备受重视。常用的颗粒有金属颗粒(如钢颗粒、钨颗粒等)和陶瓷颗粒(如SiC、A1 03、A1N 、TiC、TiB5 、ZrC、WC 、纳米碳管等)，其中以Al2 03颗粒和SiC颗粒研究得较多。碳纤维／铜复合材料由于综合铜的良好导电、导热性，及碳纤维的高比强度、高比模量和低热膨胀系数，具备较高的强度、良好的传导性、减摩耐摩性、耐蚀性、耐电弧烧蚀性和抗熔焊性等一系列优点，已被广泛应用于电子元件材料、滑动材料、触头材料、集成电路散热板及耐磨器件等领域口。这类材料的性能可设计性好，可通过控制碳纤维的种类、含量及分布来获得不同的性能指标，是一类很有发展前途的新型功能材料。

主题

1、铜基复合材料的研究现状

1-1、SiC颗粒增强铜基复合材料

SiC颗粒增强铜基复合材料的制备主要有粉末冶金法、复合电铸法、复合电沉积法等，但不能采用液态法，原因是在高温液态下铜和SiC会发生严重的化学反应口而损害增强体。香港城市大学s．C．Wjong等应用热等静压法制备了SiC颗粒增强铜基复合材料，并测定了其耐磨性能、屈服强度和维氏硬度，虽然其耐磨性能和维氏硬度提高了，但其屈服强度却比基体铜还低。其原因是SiC颗粒和基体铜之间在固态条件制备下既不润湿，又没有界面反应，因而界面结合太弱了，Kuen-ming Shu等采用化学镀的方法在SiC颗粒表面包覆一层铜后通过粉末冶金法制备成型，并对比了无涂层和有涂层处理两种试样的显微组织和热膨胀特性，发现有涂层的界面结合较好，而且其热膨胀系数也能得到有效的减少。上海交通大学湛永钟等也采用化学处理工艺在SiC颗粒增强物表面均匀地包覆了一层铜，使复合材料获得紧密的界面结合，图2 2 所示为其断口形貌，有SiC颗粒脱粘的明显迹象。经过界面改性后，发挥了SiC 颗粒的增强作用，使复合材料获得了更高的强度和硬度，而电导率只有稍许下降。

1-2、碳纤维增强铜基复合材料

对碳纤维／铜基复合材料制备工艺的探讨一直是该类材料的研究热点之一。由于碳纤维

与铜之间既不润湿，在固、液态下又不发生反应，因此在制备碳纤维／铜基复合材料时，首先遇到的难题就是解决两相之间的润湿性。目前的研究主要从两个方面来改善润湿性：在基体中加入合金元素或对碳纤维进行表面处理。由于合金元素的加入往往会在界面处形成反应层，造成纤维的损伤，影响复合材料的力学性能及导电性能，所以常用的方法是对碳纤维进行表面处理。目前较有成效的纤维表面处理方法是在碳纤维的表面涂覆一层金属，最常见的是用涂覆铜来改善碳纤维与铜液的润湿性，以提高复合材料的界面结合强度。碳纤维表面镀铜的方法很多，常用的方法有化学镀铜、电镀铜和气相沉积镀铜等。无论采用何种镀铜方法，一般都要求在镀铜前对纤维进行表面清洗及改性处理。目前，国内天津大学的王玉林和万怡灶等、合肥工业大学的凤仪等以及国外的C．Schrank等在这方面做了大量工作。王玉林等通过在C f／Cu复合材料的基体Cu中添加不同的合金元素(Sn、Ni、Fe)来改善界面结合强度，他们制备C f／Cu复合材料采用的方法是连续三步电沉积后真空热压，其工艺流程为：碳纤维预处理一第一步电沉积Cu一第二步电沉积一第三步电沉积Cu一真空热压。合金元素sn、Ni、Fe 的加入由第二步电沉积来实现。热压后的C／Cu(无中间层)、C／Cu(Ni)、C／Cu(Fe)复合材料的界面结合强度分别为40．7MPa、65．8MPa和73．7MPa。通过正交实验发现，对C／Cu(无中间层)复合材料，当Vr=0．32、T=700℃、P= 10MPa、t=40min时，其抗拉强度最大能达到586MPa；对C／Cu(Ni)复合材料，当V{=0．35、T一750℃、P=15MPa、t=60min时，最大抗拉强度为720MPa对C／Cu(Fe)复合材料，当Vf—O．40、T=700℃、P一15MPa、t：40min时，最大抗拉强度为625MPa 。

有人设计了一套特殊的碳纤维连续电镀装置。该装置采用3级电镀，分别用3个整流器控制，采用焦磷酸盐镀液，在合适的工艺条件及设备上，可在碳纤维表面均匀、完整地电镀上一层铜，镀铜层完全由结晶铜组成。此碳纤维电镀设备、工艺比其他方法简单，适用于工业化生产。C．Schrank等为了模拟纤维镀铜实验，以碳板材为基板，将碳板用氮气等离子体清理(有的试样没有清理，以作比较)后采用磁控溅射法在其上溅射了约为300nm厚的一层铜，测得铜与碳板的结合强度约为750N／cm2，进行800℃退火处理后测得其结合强度下降到约为100N／cm2，与没有经过等离子体清理的试样差不多。分析其原因发现，镀铜层球化反应润湿现象严重。后来改进工艺，溅射了约为100nm厚的Mo作为中间层，进行800℃退火处理后发现其结合强度约为450N／cm2，显微分析发现涂覆的铜层没有再发生球化现象，这表明用Mo作为中间层能有效阻止铜涂层的反润湿，提高碳与铜的界面结合强度，为进一步改进C f／Cu复合材料界面指明了方向。

1-3、连续siC纤维增强铜基复合材料

A．Brendel等采用的纤维为SCS-6SiC纤维，其表面为富碳涂层。他们对直接纤维涂层法和引入Ti作为中间层两种方法制得的试样进行了对比。直接纤维涂层法是指直接在SiC纤维表面电镀一层一定厚度的铜，然后将其装入铜制的包套中，抽真空并焊封后进行热等静压成型；引入Ti作为中间层是在纤维上溅射一定厚度的Ti(通常为几十到lOOnm左右)，然后溅射一定厚度的铜(用来防止钛的氧化)，再在已被涂覆的纤维上电镀一定厚度的铜(其厚度可根据复合材料纤维体积分数的要求确定)，最后也是按直接纤维涂层法一样进行热等静压成型。

A．Brendel等采用的分析方法为纤维顶出测试法和显微分析法。利用纤维顶出试验能计算出界面剪切应力rd和界面摩擦应力rf，rd和rf的高低能直接反应复合材料的界面结合强度。rd和rf越高，界面结合强度越高，则复合材料力学性能越好，反之亦然。其测试结果表明：没有溅射Ti进行改性的界面剪切应力rd和界面摩擦应力rf均不到10MPa，纤维很容易被从基体里顶出所示，纤维和基体之间有较大的裂缝。分析其原因可能是SiC纤维表面的富碳涂层与铜既不润湿和相互扩散，又不发生反应，这使得碳涂层犹如纤维和基体之间的润滑剂，因此纤维和基体之间的界面机械结合强度很低。而纤维表面涂覆一层钛之后，钛和碳在一定温度下发生反应生成TiC。这层TiC形成了一个从基体到纤维的过渡区，具有介于基体和纤维中