孫小燕，趙浩，潘培道，汪列隆

(1.池州學(xué)院機電工程學(xué)院，安徽 池州 247000；2.合肥工業(yè)大學(xué)材料與工程學(xué)院，安徽 合肥 230009 )

0 引言

銅是常見的金屬材料，有優(yōu)良的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性，應(yīng)用廣泛。純銅強度較低，耐磨性差，而零件主要失效形式大多包含摩擦磨損，故銅的耐磨性能備受研究工作者關(guān)注。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，以銅為基體添加不同的增強相形成的銅基復(fù)合材料得到了較大發(fā)展，銅基復(fù)合材料具有強度高、抗電弧侵蝕性好和抗磨損能力強等特點，呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[1]。Ti3SiC2是一種具有MAX層狀結(jié)構(gòu)的化合物材料，兼具金屬與陶瓷性能，具有高強度，良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電等性能，相關(guān)研究人員利用Ti3SiC2材料的特點，將Ti3SiC2粉作為增強相與Cu粉復(fù)合制備成金屬基復(fù)合材料，研究該復(fù)合材料的性能。鑒于此，將Cu粉與Ti3SiC2顆粒通過熱壓燒結(jié)方法制備而成的Cu-Ti3SiC2材料，研究工藝方案對復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性能、摩擦磨損的影響，并對其形成機理進行分析，使其有望在電接觸材料應(yīng)用中有較大的收獲，并為今后的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 實驗材料及方法

本實驗所采用的原料來源：銅粉購于國藥試劑網(wǎng)，純度為99.2%，粒度200目，Ti3SiC2粉購于肥城聯(lián)粒新材料科技有限公司，純度約為98%，粒度為-200目。為保證銅粉的純度，先將Cu粉還原，然后將Cu粉與不同體積分?jǐn)?shù)的Ti3SiC2粉配料，按表1稱取相應(yīng)質(zhì)量的Cu粉和Ti3SiC2粉末，剛玉球磨罐中手動混粉2-3 h，干燥后進行熱壓燒結(jié)。多次實驗研究發(fā)現(xiàn)，氬氣保護氣氛下，真空熱壓燒結(jié)，溫度高于750℃，Cu和Ti3SiC2會發(fā)生反應(yīng)，經(jīng)XRD檢測分析有TiSi2等雜質(zhì)產(chǎn)生，而Ti3SiC2在Cu中的穩(wěn)定性尤為重要，所以燒結(jié)溫度確定為750℃，壓力 30 MPa，保溫 30 min。

燒結(jié)后得到尺寸為Φ45 mm×4 mm的試樣，線切割成實驗測試所需的36 mm×4.8 mm×3 mm尺寸，去除樣品表面氧化物和其他雜質(zhì)，用酒精清洗，吹干后用砂紙打磨，砂紙順序依次為 400#，600#，800#和1000#，重要的測量面還需要進一步研磨拋光。打磨時，同樣品同目數(shù)的砂紙，每次磨痕要互相平行，換更細的砂紙，打磨方向換90°角。砂紙型號越細，磨削力越小[2]，防止增強相顆粒脫落，降低其所測性能，磨好的樣品用清洗酒精，用金相顯微鏡觀察其微觀結(jié)構(gòu)；采用LFA457激光導(dǎo)熱儀測試樣熱導(dǎo)率；阿基米德排水法測試樣密度；自制雙臂電橋法測阻儀測試樣電阻；島津DCS-5000萬能材料試驗機測試樣抗彎強度，并用SU8020掃描電子顯微鏡測試其斷口形貌；HBV-30 A型布維氏硬度計測試樣的硬度，載荷設(shè)為50 N，淬火鋼球(直徑D=1 mm)，將其壓入待測燒結(jié)試樣表面，保壓30 s卸載后，讀出其圓形壓痕直徑 ，求出布氏硬度值，多次測量得出平均值。

自制雙臂電橋法測電阻儀來測被測樣品的電阻率，計算如式(1)，工作電路原理如圖1所示。

式中：σ-電阻率(μΩ·m)；L-電位針間距(mm)；I-通電電流(A)；S-被測試樣橫截面(mm2)；U-兩個電位針間電壓(mv)；

圖1 雙臂電橋法測電阻工作電路原理圖

測量步驟如下：

(1)分別測量三次樣品的長L、寬b和高h，記錄后求平均值、和 ，再計算橫截面積S。

(2)將樣品依次放到自制雙臂電橋法測電阻儀的裝置中，改變電流，記錄相應(yīng)的電壓值U，再利用公式(1)計算對應(yīng)的電阻率，電阻率變化趨勢如圖5。

抗彎強度的測試原理示意圖如圖2所示，被測試材料的尺寸是36 mm×4.8 mm×3 mm，采用三點彎曲法測量，跨距為32mm，加載速率是0.5 mm/min。每個成分的樣品測試三遍，根據(jù)計算公式(2)，其中L是兩支撐刀口的距離，求每次測量的抗彎強度，然后取其平均值。

圖2 被測試樣抗彎加載示意圖

其中，σb-抗彎強度(N/mm2)；F-被測試樣斷裂時承載的最大載荷(N)；b-試樣寬度(mm)；h-試樣高度(mm)。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 微觀結(jié)構(gòu)分析與致密度

圖3依次為相應(yīng)體積分?jǐn)?shù)10%，15%，20%，25%，30%的Cu-Ti3SiC2復(fù)合材料燒結(jié)后，經(jīng)過砂紙仔細打磨并拋光后的顯微組織照片[3]，圖片中淺灰色相為基體銅，深灰色相為Ti3SiC2，黑色為孔洞，如圖3中的箭頭所示，且由圖3看，Ti3SiC2的分布較為均勻。圖中(a)、(b)復(fù)合材料是致密的，圖(c)、(d)和(e)復(fù)合材料中有孔洞出現(xiàn)，孔洞的形狀不規(guī)整，由于Ti3SiC2顆粒易團聚，故孔洞大部分集中在Ti3SiC2顆粒周圍，使得復(fù)合材料致密度下降。

圖3 Cu-Ti3SiC2復(fù)合材料燒結(jié)后的顯微組織照片

致密度是指晶胞中的原子與該晶胞所占體積比例，是材料均勻性的重要指標(biāo)，高溫?zé)Y(jié)是提高材料致密度的有效方式之一。阿基米德排水測試樣的實際密度ρ0與理論密度ρ0比值[4-5]，測得具體數(shù)值為復(fù)合材料的致密度，作出成分-致密度曲線變化趨勢圖，如圖4所示。從圖4知，Cu-Ti3SiC2復(fù)合材料的致密度隨Ti3SiC2的體積分?jǐn)?shù)增多而降低。這是由于增強相Ti3SiC2和基體Cu的晶界增多，復(fù)合材料的孔隙增多，導(dǎo)致致密度下降，這與顯微結(jié)構(gòu)的分析是一致的。

圖4 Cu-Ti3SiC2致密度隨Ti3SiC2含量變化曲線

2.2 電阻率

電阻率是材料物理性能衡量指標(biāo)之一[6]。從圖5知，Cu-Ti3SiC2復(fù)合材料的電阻率隨Ti3SiC2相體積分?jǐn)?shù)增加而增大。一般地，材料的電導(dǎo)率與其顯微組織及密度相關(guān)，復(fù)合材料的電阻率與基體和增強相配比及增強體與基體間的結(jié)合程度有關(guān)。查資料知Cu的電阻率為 1.673×10-8Ω·m，Ti3SiC2的電阻率為2.2×10-7Ω·m，Ti3SiC2的電阻率比Cu大得多[7-8]，所以隨著增強相Ti3SiC2分?jǐn)?shù)的增加，Cu-Ti3SiC2的電阻率應(yīng)隨之增大；且隨著增強相含量的增加，復(fù)合材料兩相接觸面積增加，界面對復(fù)合材料的導(dǎo)電率是不利的，所以復(fù)合材料的電阻率隨增強相增加呈增大趨勢；另外上述測定復(fù)合材料的致密度隨Ti3SiC2含量增加而降低，據(jù)導(dǎo)電原理復(fù)合材料中的孔洞會引起電子波散射[2]，綜合因素導(dǎo)致復(fù)合材料電阻率隨增強相增加而增大。

圖5 Cu-Ti3SiC2電阻率隨Ti3SiC2含量變化曲線

2.3 硬度

硬度是指材料承載局部變形的能力。根據(jù)測量方法和適應(yīng)范圍可分為布氏硬度和維氏硬度等多種，適用于不同材料或場合[9]。布氏硬度壓痕深，測量范圍廣，準(zhǔn)確性高，適應(yīng)性強[10]?；wCu的硬度值較低，而Ti3SiC2硬度為4 GPa。本實驗采用HBV-30 A型布維氏硬度計，實驗所測Cu-Ti3SiC2硬度隨增強相含量的變化如圖6所示。由圖知，隨著Ti3SiC2含量的遞增，布氏硬度先增加后下降，Ti3SiC2體積含量取總量的25%時，HBS達到105.3，當(dāng)Ti3SiC2體積含量超過總的25%時，硬度值明顯下降，這是因為隨著復(fù)合材料中孔洞的增多，致密度下降，且增強相含量增加后，兩相間的接觸界面大大增多[2]，所以復(fù)合材料的硬度值下降。

圖6 Cu-Ti3SiC2硬度隨Ti3SiC2含量變化曲線

2.4 抗彎強度及斷口形貌分析

抗彎強度是指材料抵抗彎曲且不斷裂的能力，主要用于考察陶瓷等脆性材料的強度，是材料性能重要衡量指標(biāo)[11]。 由試驗知，當(dāng)從Ti3SiC2含量低，不超過10%時，復(fù)合材料呈現(xiàn)出較大的塑性，彈性變形大不易斷裂。隨著Ti3SiC2含量增加，從圖7可看出，Cu-Ti3SiC2復(fù)合材料的抗彎強度隨增強相Ti3SiC2含量的增加，其抗彎強度呈下降趨勢。因為隨著Ti3SiC2含量增加，Cu和Ti3SiC2之間的界面增多，且界面結(jié)合較弱，孔隙數(shù)量增多，綜合原因?qū)е翪u-Ti3SiC2復(fù)合材料的抗彎強度下降。

利用掃描電鏡觀察Cu-Ti3SiC2復(fù)合材料樣品抗彎斷裂的斷口形貌，如圖8所示，光亮的晶粒為銅相，箭頭B所示，較暗淡的區(qū)域為Ti3SiC2相，箭頭C所示。隨著Ti3SiC2含量增加，形貌逐漸從網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)過渡到層片狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)Ti3SiC2含量為15%、20% 時，如圖(a)、(b)，層片狀結(jié)構(gòu)的 Ti3SiC2鑲嵌在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得 Cu-Ti3SiC2復(fù)合材料彎曲強度較高；隨著Ti3SiC2含量增加為25%、30%時，如圖(c)、(d)，呈現(xiàn)出典型的穿晶斷裂形式，其斷裂方式為脆性斷裂[12]；當(dāng)Ti3SiC2含量增加時，銅顆粒粘結(jié)不致密，產(chǎn)生少量孔洞，箭頭D所示，如圖(c)、(d)，使得復(fù)合材料致密度下降，抗彎強度隨之下降。

圖7 Cu-Ti3SiC2抗彎強度隨Ti3SiC2含量變化曲線

圖8 Cu-Ti3SiC2復(fù)合材料抗彎斷口微觀形貌圖

3 結(jié)論

實驗采用熱壓燒結(jié)法，制備了5種Ti3SiC2體積分?jǐn)?shù)為10%，15%，20%，25%，30%不同的Cu-Ti3SiC2復(fù)合材料，此成分的配比，使得復(fù)合材料在電接觸材料應(yīng)用性能較好，有別于以往增強相體積配比比例較大的情況。同時研究了Cu-Ti3SiC2復(fù)合材料相關(guān)性能和微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)論如下：

(1)Cu-Ti3SiC2復(fù)合材料隨著增強相Ti3SiC2分?jǐn)?shù)的增多，硬度先增加而后降低，電阻率增大顯著，相對密度和抗彎強度呈降低趨勢。

(2)采用熱壓燒結(jié)方法制備的Cu-Ti3SiC2復(fù)合材料，燒結(jié)溫度為750℃，壓力 30 MPa，保溫30 min工藝下，金相顯微分析知，Ti3SiC2在基體材料中分布較均勻，Ti3SiC2含量低時材料致密度好，但隨Ti3SiC2含量增大，復(fù)合材料的致密度下降。

(3)Cu-Ti3SiC2復(fù)合材料隨著增強相含量增大，抗彎斷口形貌分析知孔洞增加，致密度下降，脆性方式斷裂。