開題報告-參考

學科代碼編 號論文開題報告論文題目：新型二硅化鉬彌散強化銅基復合材料的研究學位論文題目新型二硅化鉬彌散強化銅基復合材料的研究課題來源一、課題意義及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述課題目的及意義彌散強化銅合金(DispersionStrengthenedCopper,簡稱DSC)是在上世紀70年代研究開發(fā)出的一類新型材料⑴。研制開發(fā)高強度高導電銅基導電材料一直是銅合金研究的熱點之一⑵。高強高導銅合金是一類具有優(yōu)良綜合物理性能和力學性能的功能材料，它既具有高的強度和良好的塑性，又繼承了紫銅的優(yōu)良導電性能，是制備電阻焊電極、縫焊滾輪、焊炬噴嘴、電氣工程開關(guān)觸橋、發(fā)電機的集電環(huán)、電樞、轉(zhuǎn)子、電動工具換向器、連鑄機結(jié)晶器內(nèi)襯、集成電路引線框架、電車及電力火車架空導線等的優(yōu)良材料［2-5］。但在導電銅合金的研究和制備中長期存在著咼強度和咼導電性之間的矛盾，因此，如何在盡可能少降低銅的導電(熱)性的前提下，大幅度提高其強度以達到導電性與強度的良好匹配，是當前研究和制備導電銅合金的中心任務之一。國外60年代起就進行了高強高導銅合金系統(tǒng)研究，開發(fā)了一系列產(chǎn)品。針對其性能而開發(fā)出來的電阻焊電極首先在國外得到廣泛應用⑹。目前，美、日等發(fā)達國家已壟斷了大部分國際市場，并大量向發(fā)展中國家傾銷。80年代以來我國的上海交通大學、武漢鋼鐵公司等單位也開始了這方面的工作，但目前這類材料很大一部分仍依賴進口，對這類材料缺乏系統(tǒng)的研究⑴。因此，結(jié)合我國資源的特點，逐步建立我國高性能銅合金體系、研究性能優(yōu)異、有我們自己知識產(chǎn)權(quán)的高性能銅合金，具有戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實意義。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀彌散強化銅材料在較高的工作溫度下能夠保持高機械強度，高導電和導熱能力，并具有抗中子輻射的特點，因此被廣泛用于電阻焊電極，電子元器件引線框架，核聚變系統(tǒng)中的導熱部件等材料。復合材料法是研制高強高導銅合金的發(fā)展方向。但目前的研究主要集中在氧化物彌散強化銅(ODSC)，它是通過向銅基體中引入均勻分布的、細小的、具有良好熱穩(wěn)定性的氧化物顆粒［12］,如Al0、ZrO、SiO、YO、ThO等來強化銅而制得的材料，2 3 2 2 2 3 2但目前高強高導電銅復合材料的制備工藝還不盡成熟，還存在許多問題，難以精確控制增強相的尺寸及其間距、空間排列；強化相的引入導致材料的導電性能下降；燒結(jié)材料的致密度低直接影響了材料的強度和導電性能。國外于20世紀70年代開始對其進行研究，并由美國SCM公司成功開發(fā)出內(nèi)氧化法制備氧化鋁彌散強化銅產(chǎn)品。其代表產(chǎn)品C15715,C15760的軟化溫度為930°C，電導率為92%IACS，抗拉強度也達540MPa。并已形成日產(chǎn)20噸的生產(chǎn)規(guī)模。我國對彌散強化銅的研究起步較晚。直到80年代，我國的天津大學，中國科學院金屬研究所，合肥工業(yè)大學，上海交通大學，武漢鋼鐵公司，哈爾濱工業(yè)大學等單位開始對這類材料進行研究。因此，結(jié)合我國銅資源的特點，逐步建立我國高性能銅基材料體系，研究性能優(yōu)異，有自主知識產(chǎn)權(quán)的咼性能銅基材料，具有戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實意義。到90年代以后我國對該材料的研究給予了更大的關(guān)注，對添加彌散相的種類和方法也進行了探討，但也只是處在實驗室階段，未有實際生產(chǎn)應用報道。2.1彌散強化機理彌散強化機構(gòu)的代表理論是位錯理論。彌散強化材料中，彌散相是位錯線運動的障礙，位錯線需要較大的應力才能克服阻礙向前移動，所以彌散強化材料的強度高。軋制的純銅或者沉淀強化銅合金材料在較高工作溫度時，由于晶粒的再結(jié)晶和長大以及析出物的溶解而失效，但是彌散強化銅材料中第二相粒子能夠釘扎位錯，晶界,亞晶界，所以材料可以在接近銅熔點的溫度下工作［⑷。2.2彌散強化銅的主要方法對于彌散強化銅主要有兩種強化方法，一是引入合金元素強化銅基體形成合金。二是引入第二相強化相形成復合材料［⑸。2.2.1固溶強化固熔強化的產(chǎn)生是由于熔質(zhì)原子熔入后，要引起溶劑金屬的晶格產(chǎn)生畸變，進而使位錯移動時所受的阻力增大的緣故［⑹。但是固熔強化的高溫性能差，加之固熔強化引起的點陣結(jié)構(gòu)畸變對電子運動有強烈的散射作用，從而使導電率大大下降，固熔強化的這些缺點，使其不能成為制備高強度高導電材料的主要手段。2.2.2細晶強化細晶強化在于隨晶粒直徑減少，晶界增多，阻礙位錯移動能力提高，因而強化了金屬。晶粒細化僅產(chǎn)生晶體缺陷，細晶強化對材料導電率影響不大。所以，細晶強化是中溫和低溫材料的有效強化方法。2.2.3第二相強化第二相強化是制備高強高電導率材料最理想的方法。實際使用的高強度合金大多含有高度彌散分布的細小的第二相質(zhì)點，這些第二相往往是金屬間化合物或氧化物、碳化物等，要比基體硬得多。2.3增強相的選取原則銅中引入增強相的目的是為了提高銅合金材料的高溫性能，同時盡可能的保留銅自身的導熱和導電性能。彌散強化材料的強度不但與基體和彌散相的本性有關(guān),而且決定于彌散相的含量、大小和分布、形態(tài)以及彌散相與基體的結(jié)合情況，也與成形工藝有關(guān)〔I5】。2.4增強相的種類2.4.1難熔金屬考慮到增強相的細化和均勻分布，金屬增強相要明顯好于非金屬增強相。Morris〔2i］對此作了詳細的研究。體心立方的難熔金屬(Cr,Mo,Nb,Ta,V,W,Fe等)共同特點是它們固態(tài)時在銅中的溶解度很低。研究表明，第二相的強化作用與所添加的金屬的硬度和熔點沒有關(guān)系，與其在銅中的溶解度關(guān)系也不大主要是金屬間化合物的形成熱要低。形成熱越低，化學反應越強，界面結(jié)合越好，基體材料中的受力就可以傳遞到增強相載荷上，有效地使第二相變形，從而優(yōu)化材料的組織。2.4.2氧化物彌散強化銅早期的研究采用BeO〔22］,ThO［23］,TiO,MgO〔24］等作增強相。Cu/AlO復合材料是目前2 2 2 3被研究的最充分的彌散強化銅基復合材料，該材料不僅強度高［25］，導電性和導熱性良好，而且還有良好的抗電弧侵蝕和抗磨損能力，是一種具有廣泛應用前景的新型材料。日本的Ichikawa”］利用復合技術(shù)研究了AlO,ZrO強化銅。AlO具有金剛石晶體結(jié)構(gòu)，ZrO具有螢石型結(jié)構(gòu)，都是扭曲的單斜結(jié)構(gòu)，與銅的結(jié)構(gòu)相差較大，因而在銅中分布不均勻。很少量的AlO和ZrO就會使材料的導電性能明顯降低。2 3 22.4.3碳化物彌散強化銅德國Sauers］用機械合金化的方法研究了Cu-Ti-C體系原位生成納米TiC的強化納米銅材料。含3%?10vol%TiC的合金材料其室溫顯微維氏硬度達315,拉伸強度達llOOMPa，延伸率為10%，導電度為80%IACS。日本Takahashi也對TiC進行了研究，得出了相似結(jié)果［31］。俄羅斯Baikalovae］在銅基體中原位合成了碳化鎢。在較低溫度（約940°C）高能球磨機械處理銅鎢碳混合粉末時生成了碳化鎢。日本Ichikawa跑利用復合鑄造技術(shù)研究了WC、TiC、TaC、SiC強化銅。TaC是NaCl晶體結(jié)構(gòu)，WC是立方晶體結(jié)構(gòu)，所以在銅中均勻分布oSiC是相似于密排六方結(jié)構(gòu)的ZnO結(jié)構(gòu),在銅中會產(chǎn)生團聚，分布不均勻。日本Takahashi研究了機械合金化原位合成制備NbC和TaC強化銅跑。其硬度值高于相同條件下的AlO材料，但導電性有所下降。2 32.4.4硼化物彌散強化銅TiB陶瓷的剛度和硬度僅次于金剛石、BN和BC,同時具有很高的機械強度（750MPa）,而且具有一定的導電和導熱能力?涂江平⑶］利用Ti+BO+3C-TiB+3CO反2 3 2應在銅基體中原位反應獲得了TiB。TiB與銅基體界面潔凈,沒有過渡層。含3.5%的22TiB銅拉拔態(tài)材料的維氏硬度為89,導電度為64.3%。日本Ichikawa^］利用復合鑄造技術(shù)研究了添加TaB及VB對強化銅材料性能的影響。結(jié)果表明，高于537C時,TaB22必須工作在無氧環(huán)境下［20］,這就限制了此類強化材料的應用。2.5彌散強化銅的主要制備方法2.5.1內(nèi)氧化法內(nèi)氧化法是目前制備氧化鋁彌散強化銅材料用的最多的一種制備方法，目前已廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)。其主要過程如下：首先，將氧化劑CuO與Cu-Al合金粉末混合均勻。在900C下，CuO發(fā)生分解放出活性氧［O］,合金粉末中的Al吸附活性氧，發(fā)生2氧化反應，原位生成AlO增強相⑶,38］。2 32.5.2機械合金化機械合金化是70年代由J.S.Benjamin為制造YO彌散強化鎳基超合金而提出的一種開發(fā)新型材料技術(shù)⑶］。其原理是將欲合金化的粉末機械混合，在高能球蘑機中長時間研磨粉碎，合金粉末承受沖擊、剪切、摩擦、壓縮等多種力的作用，經(jīng)歷粒子扁平化，冷間焊合及合金粒子均勻化三個過程，在固態(tài)下實現(xiàn)合金化［40,41］。2?5?3溶膠一凝膠法溶膠-凝膠法（Sol-Gel）作為一種材料制備的新工藝，廣泛應用于陶瓷，玻璃等的制備。尤其可以制備高均勻度，高致密度的陶瓷材料［42］。近來，溶膠-凝膠法在彌散強化銅的制備中得到應用，其原理為：制備強化相的初生態(tài)溶膠，加入銅粉，制備強化相與銅粉的復合粉末，再進行熱壓燒結(jié)。其工藝過程簡單，成本低，有很好的工業(yè)應用前景麗。2.5.4包裹法采用包裹的方法制備復合粉體,可以改善增強相的分散特性，提高兩相的均勻混合程度，改善基體與增強相的界面結(jié)合性質(zhì)嗣，因此，包裹型復合粉體的研究成了近年來研究的熱點。包裹型復合粉體不同于一般的復合粉體，包裹型復合粉體中的不同相可以達到一個個顆粒間的混合［45］。2.5.4其它制備方法彌散強化銅的其它制備方法還包括：機械混合法，粉末冶金法，共沉淀法，化學沉積法等。2.6彌散強化銅材料存在的主要問題［48］2.6.1產(chǎn)業(yè)化問題就我國來說,雖然已研究出多種制備彌散強化銅的方法，且制備的彌散強化銅性能也較優(yōu)良，但都還是停留在實驗室階段,未能投入實際生產(chǎn).究其原因，一是工藝過程太復雜，二是工藝參數(shù)不穩(wěn)定造成生產(chǎn)成本很高，不符合產(chǎn)業(yè)化的要求.所以如何簡化工藝，穩(wěn)定參數(shù),盡快實現(xiàn)彌散強化銅的產(chǎn)業(yè)化是彌散強化銅研究者的一個主要問題。2.6.2粉末細化問題粉末的細化對彌散程度有很重要的作用,從理論上講增強相粉末越細，在銅基上分布的越均勻彌散強化效果越好.雖然國內(nèi)有文獻報道已取得較大成果，但仍處試驗階段，難以推廣.此外,在高能球磨粉末混料過程中，還發(fā)現(xiàn)球磨一定時間后，粉末粗化的問題.所以如何制取超細粉末仍然是研制彌散強化銅的一項關(guān)鍵技術(shù)。。2.6.3強化相問題從目前的研究情況來看，向銅中引入的第二相一般是提高了某方面的性能，而降低了另一方面的性能。因此尋找一種能提高某方面的性能，而不降低其他性能的第二相或者通過向銅中引入二種或多種相來達到這個目的，也是一個值得研究的問題.2.7總結(jié)與展望高強度、高導電銅基導電材料作為一類重要的導電材料，在眾多領(lǐng)域有著廣泛的應用，不可替代。對彌散強化高強度、高導電銅合金的研究已開展了幾十年,研制出許多具有優(yōu)異性能的合金系列。目前內(nèi)氧化法制備的AlO彌散強化銅的性能已達到2 3較高的水平，但工藝復雜。由于彌散強化銅材料存在產(chǎn)業(yè)化問題，粉末細化問題，強化相的選擇問題和致密性不足等問題。今后的研究重點是如何簡化工藝以降低成本和進一步提高材料性能，同時加強對一些新的制備方法的研究°MoSi在常溫下表現(xiàn)為陶瓷的脆性［49-52］，容易球磨細化。而且MoSi的熔點高，高溫穩(wěn)定性好，熱膨脹系數(shù)與銅相近，與銅具有良好的匹配性。MoSi是應用廣泛的電熱材料，有好的導電和導熱性，對銅的導電性影響較小。因此，MoSi彌散強化銅材料可望具有良好的應用前2二、課題研究目標、研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵性問題1.主要研究內(nèi)容本課題結(jié)合機械合金化法和粉末冶金法等制備方法，主要旨在研究以下問題:1.1材料最佳組分的選擇、優(yōu)化及微結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過理論計算設(shè)計微結(jié)構(gòu)，通過計算和試驗結(jié)合的方法選擇合適的組分，即MoSi?的添加量，使復合材料的導電性與強度達到最佳配合。 21.2增強劑MoSi?顆粒的細化研究及在基體中的彌散性研究。增強劑粉末越細小，在銅基體中的彌散分布越均勻，則強化效果越好，對導電性的影響也越小。因此，制取超細粉末是研究彌散強化銅的關(guān)鍵技術(shù)。1.3基體銅與彌散相MoSi界面結(jié)合及復合材料的致密性研究。2兩相界面的匹配性、界面結(jié)合強度直接影響材料的強化效果，第二相的加入會導致復合材料致密度的下降，并且由于銅燒結(jié)過程中本身的特點，不容易達到很致密，致密度對彌散強化銅的力學性能和電性能均有很大影響，提高致密度是本課題研究的一項關(guān)鍵技術(shù)問題。MoSi的制備工藝研究。2球磨方式、制備和燒結(jié)工藝是影響高強高導銅合金力學性能和電性能的關(guān)鍵因素。MoSi彌散強化銅基復合材料的微觀結(jié)構(gòu)分析。本課題借助于XRD、SEM、TEM及光學金相顯微鏡等儀器設(shè)備，分析所制備復合材料的物相、微觀結(jié)構(gòu)及形貌，結(jié)合性能測試結(jié)果進行理論分析。2?研究目標⑴通過理論分析與實驗相結(jié)合的方法，找到MoSi彌散強化銅基復合材料的最佳配2比和制備工藝。⑵制備出幾個具有高強高導電性的MoSi?彌散強化銅基復合材料的試樣。⑶發(fā)表論文1-2篇。 23?擬解決的關(guān)鍵性問題增強相MoSi粉末在銅基體中的均勻彌散分布增強相與基體的物理化學相容性和界面穩(wěn)定性。三、擬采取的研究方法、技術(shù)路線、試驗方案及其可行性分析3.1擬采取的研究方法3.1.1增強相MoSi粉體的細化2在行星式球磨機中，采用機械球磨的方法細化MoSi?粉體。在球磨過程中每隔一定時間取料分析測試，分別用激光粒度分析儀和XRD的方法觀察MoSi粉體在球磨過2程中的粒度變化和物相轉(zhuǎn)變。用SEM觀察顆粒表面的形貌。3.1.2Cu和MoSi復合粉體的制備3.1.2.1機械包裹法將Cu粉和經(jīng)過細化的MoSi(按質(zhì)量比1%-5%)粉，在球磨機中充分混合，使增2強相MoSi均勻分布在Cu基體中。3.1.2.2非均相成核法⑴Zn粉還原法：將經(jīng)過細化的MoSi粉末制成懸濁液，按配比與飽和CuSO?5HO溶液攪拌混合2 4 2均勻。再用Zn粉置換CuSO4溶液中的Cu使其沉積包裹在MoSi顆粒表面，經(jīng)過濾后2得到Cu和MoSi復合粉體。2⑵水合肼還原法：將經(jīng)過細化的MoSi粉末制成懸濁液，按配比與飽和CuSO溶液混合均勻。再向2 4其中加入適量壬基酚聚氧乙烯醚作分散劑，在60°C下，加入水合肼充分反應過濾得到復合粉體。3.1.3復合粉體的表征將以上三種方法得到的粉體分別用激光粒度分析儀，XRD和SEM進行粒度，物相和形貌分析。用電子探針進行微區(qū)成分分析，用TEM觀察顆粒沉積包裹的均勻性，以及包裹層的厚度。3.1.4試樣的成形與燒結(jié)將上述方法制出的復合粉體進行壓樣燒結(jié)，測試性能。⑴將復合粉體壓成片狀試樣，若復合粉體中的銅粉未氧化，則將試樣在真空爐中燒結(jié)，若銅粉發(fā)生氧化則在氫氣還原爐中進行燒結(jié)。⑵將復合粉體在熱壓燒結(jié)爐中進行熱壓燒結(jié)。⑶將復合粉體在氣氛爐中或還原爐中進行熱壓燒結(jié)。3.1.5試樣的分析表征對燒結(jié)試樣進行分析測試。用XRD測定其物相組成，用SEM觀察表面形貌和斷口，用電子探針進行微區(qū)成分分析，并對其斷裂韌性、強度、導電和導熱性及高溫熱穩(wěn)定性進行測試。對得到的實驗結(jié)果進行分析討論，發(fā)表相關(guān)論文1-2篇。3.2技術(shù)路線和實驗方案3.3可行性分析MoSi是一種具有優(yōu)異性能的金屬間化合物，導電性好（電阻率為21.5X10-6Q?cm）,高溫穩(wěn)定性好，耐腐蝕性好。因此，MoSi?可作為增強相彌散強化銅。MoSi在常溫下表現(xiàn)為陶瓷的脆性，容易球磨細化。而且MoSi的熔點高（2030°C），熱膨脹系數(shù)低（8.1X10-6K-1）與銅相近，與銅具有良好的匹配性。MoSi是應用廣泛的電熱材料，有好的導電和導熱性，對銅的導電性影響較小。因此，MoSi彌散強化銅材料可望具有2良好的應用前景五、計劃進度、預期進展和預期成果2006,9—2007.1：收集資料和調(diào)研，細化研究方案；設(shè)計材料成分及微結(jié)構(gòu)；增強劑粉體材料的細化及在基體中的彌散性、界面及相容性；混合粉末在球磨過程中的機械力化學效應研究；研究材料的制備工藝，并按設(shè)計成分制備材料，分析其微觀結(jié)構(gòu)；2007.3—2007.7進一步優(yōu)化材料組分及制備工藝，制備材料；力學和電熱性能及熱穩(wěn)定性試驗，對不同工藝試樣進行對比性分析；并對試驗結(jié)果進行理論分析；2007.9—2007.128)數(shù)據(jù)分析整理，補充實驗，撰寫畢業(yè)論文八、參考文獻亢若谷?彌散強化銅合金的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].云南冶金，1995,5(2):243-246.帥歌旺，張萌?高強度，高導電銅合金及銅基復合材料研究進展[J].特種鑄造及有色合金，2005，9(25):534-537.彭茂公，亢若谷等?高強高導彌散強化銅材料可鍛性研究[J].兵器材料科學與工程，2003，1(26):23—28.JoannaGroza.Heat-ResistantDispersion-StrengthenedCopperAlloys.JournalofMaterialsEngineeringandPerformance,1992,1(1)：113-121.⑸李玉桐，董治中，齊增生?納米Al2O3增強Cu基復合材料的組織與性能[J].天津大學學報，1996,29(1):123-129.⑹A.V.Nadkarm,E.Klar.andW.M.Shafer.MetalsEng.Quart,1976,16(3):10-15.⑺馬勤，康沫狂,楊延清?二硅化鉬基復合材料的現(xiàn)狀與前景?復合材料學報,1998,3(15):1-6.馬勤，余寧等.Mo,Si混合粉末的機械合金化[J].材料研究學報,1998,3(12):267-271.周琦,馬勤等?二硅化鉬機械球磨過程的研究[J].甘肅工業(yè)大學學報,2003,4(29):41-44.艾云龍，馬勤等.ZrO2+SiC顆粒強韌化MoSi2復合材料的顯微組織和性能[J].金屬熱處理學報,2000,4(21):18-22： "馬勤,李和平,李云峰?合金元素W、B對MoSi2發(fā)熱體物理化學性能的影響[J].工業(yè)爐,2004,3(26):4-7. "郭明星，汪明樸等?原位復合法制備納米粒子彌散強化銅合金的研究進展[J].機械工程材料，2004,29(4):58-62.[14]BahkS,AshbyMF.Stroedenergyofcoldworkininternallyoxidizedcopperandsomeofitsconsequences[J].ScriptaMetallurgica,1975,9(2):129-135.美國金屬學會。金屬手