纳米金刚石弥散强化铜基复合材料的研究

纳米金刚石弥散强化铜基复合材料的研究1

赵乃勤，师春生，乔志军

天津大学材料学院，天津（300072）

E-mail:nqzhao@

摘要：采用粉末冶金法制备纳米金刚石弥散增强铜基复合材料（ND/Cu）,研究了复合材料的微观结构和性能。结果表明：纳米金刚石在铜基体中均匀分布，复合材料的硬度和高温稳定性明显提高；ND/Cu复合材料的耐磨性能随着纳米金刚石含量的增加明显提高。

关键词：纳米金刚石，粉末冶金，铜基复合材料，磨损性能

1. 引言

弥散强化铜基复合材料具有较高的强度和导电导热性，目前已广泛应用于集成电路引线框架、电阻焊电极、电触头等材料。铜基复合材料在使用过程中由于摩擦、导电等原因往往造成使用温度较高，而高温下复合材料的软化会使其强度和耐磨等性能大幅下降，因此提高铜基复合材料的耐磨性和高温稳定性具有十分重要的意义。近年来纳米材料作为弥散增强相在复合材料中所表现出的优良性能引起了广泛关注，以纳米材料增强的铜基复合材料在保持铜本身高导电导热性的同时明显提高了材料的高温稳定性和耐磨性等，代表着高性能铜基复合材料的发展方向[1-5]。爆炸法制备的纳米金刚石（ND）是纳米材料界的新成员，不但具有硬度高、导热性优良、润滑性和耐磨性好等特点，而且具有纳米材料的奇异性能，作为复合材料的增强相具有很好的应用前景，因此受到工程技术专家的广泛关注[6-7]。本文采用粉末冶金法制备ND/Cu复合材料，重点研究了ND/Cu复合材料的硬度、高温稳定性和摩擦磨损性能。

2. 实验

实验所用原料为200目电解铜粉（纯度＞99.9％），增强相为2～10nm纳米金刚石，铜粉和纳米金刚石的形貌如图1所示。

图1 电解铜粉（a）和纳米金刚石（b）的形貌图

Fig.1 Morphologies of electrolytic copper powders (a) and nanodiamonds (b)

采用粉末冶金法制备ND/Cu复合材料，制备工艺流程如图2所示。

1本课题得到教育部博士点基金（No:20050056062）的资助。

图2 ND/Cu 复合材料的制备工艺流程

Fig.2 Fabrication of ND/Cu composites

采用OLYMPUS BX51M 金相显微镜、PHILIPS 公司的XL30型环境扫描电镜和TECNAI G 2F20高分辨透射电镜对ND/Cu 复合材料的组织及微观结构进行表征。软化温度以高温下材料失去室温硬度的15%为标准测定的。采用MM-200型磨损实验机进行摩擦磨损实验，实验采用环-块式摩擦方式，对磨材料为GCr15。

3. 结果与讨论

3.1 纳米金刚石含量对ND/Cu 复合材料密度和硬度的影响

图3为ND/Cu 复合材料密度和硬度随纳米金刚石含量的变化曲线。由图可知随着纳米金刚石含量增加，复合材料的密度下降、硬度提高。当纳米金刚石含量超过1.0wt.%时，复合材料的密度明显下降，而其硬度的增大幅度趋缓。这主要是由于纳米金刚石含量增加造成严重的团聚现象，烧结体的疏松、孔洞等缺陷明显增多，如图4所示，因此ND/Cu 复合材料中纳米金刚石的含量应控制在1.0wt.%。

D e n s i t y (g /c m 3)

ND Content (wt.%) M i c r o

h a r d n e

s s (H V )ND Content (wt.%) 图

3 纳米金刚石含量对铜基复合材料密度和硬度的影响

Fig. 3 Influence of ND content on composites density (a) and microhardness (b)

图4 不同含量纳米金刚石增强铜基复合材料的扫描电镜照片 Fig. 4 SEM photos of (a) copper (b) 1.0wt.%ND/Cu (c) 2.0wt.%ND/Cu (d) 3.0wt.%ND/Cu

弥散强化金属基复合材料主要是依靠第二相颗粒的弥散强化作用来提高强度的，第二相颗粒在基体中是否均匀弥散分布对材料的综合性能起着至关重要的作用。图5为1.0wt.%ND/Cu 复合材料微观结构的HRTEM 显微照片，由图5a 可以看出铜基体上分布着单分散的球形纳米石颗粒（粒径5nm ），而且颗粒分布比较均匀，颗粒间距为10～60nm 。这表明机械球磨工艺可以使部分纳米金刚石团聚体粉碎，并形成均匀的复合粉[166]。图5b 为铜基体上纳米颗粒的EDS 分析，结果发现基本元素为C 和Cu ，因此可以证明这些纳米颗粒为纳米金刚石。这表明在机械球磨过程中经反复破碎、冲击将纳米金刚石颗粒挤压嵌入到铜颗粒中，从而实现了纳米金刚石颗粒在基体内的均匀分布。

图5 纳米金刚石在铜基体上的分布状态及EDS 分析

Fig. 5 Nanodiamonds distribution in the matrix of ND/Cu composite and EDS analysis

3.2 ND/Cu 复合材料的抗软化性能

铜基复合材料的软化温度是衡量高强高导电材料在高温下使用性能的一个重要指标，软化温度是以高温下材料失去室温硬度的15%为标准测定的。铜基复合材料在使用过程中由于摩擦、导电等原因往往造成使用温度较高，而高温下复合材料的软化会使其强度和耐磨等a c b d a b c

性能大幅下降，因此提高铜基复合材料的软化温度具有十分重要的意义。

图6为不同温度退火后1.0wt.%ND/Cu 复合材料的硬度曲线，可以看出随着退火温度升高，复合材料的硬度下降。在800°C 以下退火时复合材料的硬度变化较小（下降幅度小于15%），退火温度超过800°C 时硬度明显降低，因此ND/Cu 复合材料的软化温度为800°C ，明显高于纯铜及铜合金的软化温度（200～350°C ）。对于弥散强化铜基复合材料来说，软化温度的高低主要取决于复合材料基体在高温下的再结晶程度和增强相粒子的热稳定性。纳米金刚石高温稳定性好（1000°C 以下），作为第二相颗粒阻碍了基体的再结晶和晶粒长大，因此复合材料具有较高的软化温度。

M i c r o h a r d n e s s (H V )Temperature (℃)

图6 ND/Cu 复合材料在不同温度下退火的硬度曲线

Fig. 6 Hardness of ND/Cu composite annealed at different temperature

3.3 ND/Cu 复合材料的磨损性能

图7为纳米金刚石含量对ND/Cu 复合材料干摩擦系数和磨损量的影响曲线（不同载荷、转速200rpm 干摩擦条件下磨损1h ）。由图可以看出随着纳米金刚石含量的增加，复合材料的摩擦系数和磨损量下降。同时随着载荷增加，摩擦系数和磨损量明显提高。纳米金刚石的加入显著改善了基体的耐磨性，尤其是载荷较大的磨损条件下复合材料的磨损量明显减小。

0.00.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.00.00.1

0.2

0.3

0.40.50.60.70.8

0.9

F r i c t i

o n c o e f f i c i e n t ND content (wt.%)

V o l u m e o f w e a r (m m 3)ND content (wt.%) 图7 纳米金刚石含量对ND/Cu 复合材料干摩擦系数和磨损量的影响 Fig.7 Influence of ND content on composite friction coefficient and wear loss by dry slide 图8为不同含量ND/Cu 复合材料在2kg 载荷、200rpm 转速下磨损1h 后磨损表面的形貌。由图可以看出纯铜和1.0wt.%ND/Cu 复合材料磨损表面发生严重的塑性变形，表面有大块材料撕裂被拽出的现象，而且出现较深的犁沟和划痕，是比较严重的粘着磨损和磨粒磨损