本文關(guān)鍵詞：液相原位反應(yīng)制備納米氧化釔彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料及性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《南昌大學(xué)》 2015年

液相原位反應(yīng)制備納米氧化釔彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料及性能研究

卓海鷗  

【摘要】：高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金(復(fù)合材料)應(yīng)兼具高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性能,以及良好的抗高溫軟化性能。一般可分為兩類:以Cu–Cr合金為代表的沉淀強(qiáng)化銅合金,因位錯(cuò)切割與Cu基體共格的強(qiáng)化顆粒而具有高的室溫強(qiáng)度,但抗高溫軟化能力差;以Cu–Al2O3合金為代表的彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料,因Al2O3粒子的熱穩(wěn)定性高而具有優(yōu)良的高溫性能,但Al2O3顆粒的Orowan強(qiáng)化機(jī)制效果一般。Y2O3等稀土氧化物具有高的熱力學(xué)穩(wěn)定性,而且其類螢石結(jié)構(gòu)與Cu基體有位相匹配關(guān)系,在合適的情況下能與Cu基體形成共格關(guān)系的相界面。此外,Y在Cu中極低的溶解度和很小的擴(kuò)散速率會(huì)抑制Y2O3粒子的團(tuán)聚和長(zhǎng)大,從而得到納米級(jí)的彌散顆粒。因此,Y2O3等稀土氧化物被認(rèn)為是銅基材料最為理想的強(qiáng)化相。液相原位反應(yīng)法使溶質(zhì)原子在液相下原位生成氧化物彌散顆粒,很好地解決了Y等稀土元素在銅基體中由于固溶度極少和偏聚問(wèn)題帶來(lái)的材料設(shè)計(jì)上的困難。本文采用液相原位反應(yīng)法制備Cu–Y2O3復(fù)合材料,研究了稀土元素Y對(duì)銅基體組織和性能的影響,及Y在銅中分布和存在形式;重點(diǎn)研究了Cu–Y2O3復(fù)合材料的組織與性能,探討了Y2O3顆粒的原位生成機(jī)理和顆粒彌散強(qiáng)化機(jī)制,以及其它相關(guān)基礎(chǔ)問(wèn)題。得到的主要結(jié)論有:(1)在Cu–Y合金中,稀土Y多以六方的Cu7Y中間相的形式偏聚于晶界處;合金組織隨著Y含量的增大而不斷細(xì)化,晶粒尺寸由Cu–0.05Y合金的500μm降到Cu–1.5Y合金的80μm;在稀土元素凈化基體、細(xì)化晶粒以及形成中間化合物的共同作用下,Cu–Y合金的導(dǎo)電率隨Y含量的增加先升高后降低,Y含量為0.05%時(shí)合金的導(dǎo)電率最高,達(dá)101.8%IACS;Cu–Y合金的顯微硬度隨著Y含量的增加而升高,這主要是細(xì)晶硬化和第二相硬化的結(jié)果。(2)Cu–Y合金的原位反應(yīng)從熱力學(xué)上來(lái)講為擇優(yōu)氧化,溫度和氧分壓是控制擇優(yōu)氧化的關(guān)鍵因素。Y發(fā)生擇優(yōu)氧化時(shí)的氧分壓上限和下限分別由方程73.14/16300lg2TP+-=O和00.13/17830lg2TP+-=O給出,液相原位反應(yīng)可根據(jù)反應(yīng)溫度來(lái)選擇合適的氧分壓。對(duì)液相原位反應(yīng)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)研究表明,反應(yīng)前鋒位置單位體積內(nèi)Y2O3的形核數(shù)量表達(dá)式為,Y2O3顆粒的半徑為。為保證得到納米級(jí)的Y2O3顆粒,氧原子應(yīng)與Cu–Y熔體充分接觸,以形成更大的反應(yīng)界面。(3)在液相原位反應(yīng)過(guò)程中,當(dāng)沒(méi)有氧原子存在時(shí),Cu–Y熔液由于存在動(dòng)態(tài)平衡不會(huì)凝固。當(dāng)有氧原子進(jìn)入熔液中時(shí),Y優(yōu)先與O反應(yīng)生成Y2O3顆粒,在顆粒附近的局部區(qū)域?qū)?huì)因貧Y而形成過(guò)冷。且Y2O3顆�？勺鳛樾魏藙┘铀偃垡旱牟痪鶆蛐魏�,在過(guò)冷度和形核劑的共同作用下,熔液發(fā)生等溫凝固。在等溫凝固條件下,Y2O3顆粒的長(zhǎng)大過(guò)程就由液相擴(kuò)散變?yōu)楣滔鄶U(kuò)散,擴(kuò)散速率大幅降低,長(zhǎng)大過(guò)程被抑制,最終得到均勻分布的納米Y2O3彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料。(4)Cu–Y2O3復(fù)合材料的TEM觀察發(fā)現(xiàn),Y2O3顆粒分布均勻,在晶粒內(nèi)外均無(wú)偏聚,顆粒形貌多為球狀、橢球狀。Y2O3顆粒尺寸細(xì)小,粒徑呈單峰分布,最大不超過(guò)14 nm,顆粒的尺寸隨著Y含量的增加有降低的趨勢(shì)。Y含量為0.05%時(shí),Y2O3顆粒的平均尺寸為6.1 nm,顆粒間距為24.0 nm;Y含量為0.2%時(shí),Y2O3顆粒的平均尺寸為4.9 nm,顆粒間距為18.0 nm;Y含量為0.4%時(shí),Y2O3顆粒的平均尺寸為4.7 nm,顆粒間距為20.0 nm;Y含量為1.0%時(shí),Y2O3顆粒的平均尺寸為3.8 nm,顆粒間距為16.5 nm。(5)通過(guò)HRTEM觀察和SAD花樣分析表明,Y2O3顆粒的晶面取向與銅基體明顯的一致,Cu和Y2O3兩相界面的錯(cuò)配度δ=0.036,顆粒與基體具有完全共格的界面關(guān)系。由于Y2O3具有很高的熱力學(xué)穩(wěn)定性,退火并不會(huì)改變Y2O3顆粒與基體的界面關(guān)系,而且這種共格界面還會(huì)阻礙顆粒的粗化,所以Cu–Y2O3復(fù)合材料經(jīng)高溫退火后,顆粒依然均勻彌散地分布在基體上,尺寸仍為納米級(jí)。隨著Y2O3含量的增加,Cu–Y2O3復(fù)合材料的導(dǎo)電率呈下降趨勢(shì),但其導(dǎo)電率仍能保持在90%IACS以上。Cu–0.9vol.%Y2O3復(fù)合材料的導(dǎo)電率為98%IACS,高于美國(guó)SCM公司生產(chǎn)的Cu–Al2O3復(fù)合材料,變形量對(duì)Cu–Y2O3復(fù)合材料的導(dǎo)電率的影響不大。(6)Cu–Y2O3復(fù)合材料的顯微硬度隨著Y2O3含量的增加而升高,Cu–3.34vol.%Y2O3復(fù)合材料的顯微硬度為93 HV,比純銅提高了65%。Cu–Y2O3復(fù)合材料的加工硬化性能良好,Cu–0.9vol%Y2O3經(jīng)過(guò)55%的變形后,材料的硬度從74 HV提高到120 HV。在800 oC以下退火時(shí),Cu–Y2O3復(fù)合材料的硬度下降緩慢,平均軟化速率為1 HV/100 oC,到800oC以上,材料的硬度才出現(xiàn)明顯下降,而純銅在400 oC退火時(shí)硬度就開始明顯下降。(7)液相原位反應(yīng)法制備的Y2O3體積分?jǐn)?shù)分別為0.11%、0.45%、0.9%、2.24%的Cu–Y2O3復(fù)合材料,其抗拉強(qiáng)度隨著Y2O3含量的增加而升高,分別為356 MPa、425 MPa、548 MPa、623 MPa。由于Y2O3的體積含量并不高,所以Cu–Y2O3復(fù)合材料的延伸率都能保持在30%以上,其斷口形貌呈明顯地韌性斷裂特征。分析復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制,位錯(cuò)能夠切過(guò)的共格析出相的最大尺寸為2.4 nm,尺寸超過(guò)2.4 nm的Y2O3顆粒將以繞過(guò)機(jī)制來(lái)強(qiáng)化基體,所以Cu–Y2O3復(fù)合材料的強(qiáng)化方式為切割機(jī)制和繞過(guò)機(jī)制共同作用。對(duì)臨界應(yīng)力的分析表明Cu–Y2O3復(fù)合材料具有良好的高溫強(qiáng)度。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：南昌大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TB333
【目錄】：

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6 王振卿;Al-（Ti，TiO_2，ZrO_2）-C體系的反應(yīng)機(jī)理及其材料的熔體原位反應(yīng)合成[D];山東大學(xué);2005年

7 戴玉梅;一些含氮功能配合物的設(shè)計(jì)合成和原位反應(yīng)[D];福州大學(xué);2006年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 周允紅;原位反應(yīng)合成AgCuO復(fù)合材料中立方氧化銅的形成機(jī)制及性質(zhì)研究[D];昆明理工大學(xué);2015年

2 程佳美;室溫原位反應(yīng)制備銅、銀硒化物納米晶及其光電性質(zhì)研究[D];鄭州大學(xué);2015年

3 趙雅琴;基于雜多酸和原位反應(yīng)的配合物的合成、結(jié)構(gòu)及性質(zhì)[D];山東大學(xué);2015年

4 王新迎;多元氧化物與鋁原位反應(yīng)生成鋁基復(fù)合材料的組織和性能[D];山東大學(xué);2013年

5 張建東;C/C-SiC復(fù)合材料原位反應(yīng)制備工藝的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2008年

6 趙莉;熱壓Ti_3SiC_2/Al_2O_3復(fù)合材料的制備及其性能研究[D];武漢理工大學(xué);2006年

7 郭洋洲;煤焦等溫微分原位反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置的研制[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2012年

8 金瑩;氧化物原位反應(yīng)合成鎂基復(fù)合材料的研究[D];華中科技大學(xué);2012年

9 王輝虎;多種氧化物原位反應(yīng)制備Al_2O_3/Al復(fù)合材料的研究[D];武漢科技大學(xué);2003年

10 楊新波;低膨脹ZrO_2/ZrW_2O_8復(fù)合材料的制備及其性能研究[D];江蘇大學(xué);2006年

  本文關(guān)鍵詞：液相原位反應(yīng)制備納米氧化釔彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料及性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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