【正文】 同時由于 Al2O3 顆粒含量少且細(xì)小彌散分布所以能保持銅基體的高導(dǎo)電導(dǎo)熱性 Al2O3 彌散強化銅復(fù)合材料 Alumina Dispersion Strengthened Copper Composite 簡稱 ADSC 不僅強度高導(dǎo)電性和純銅相近而且還具有良好的抗電弧侵蝕抗電磨損能力及較高的常溫強度和高溫強度是一種具有廣泛應(yīng)用前景的新型材料與功能材料目前國外已將 Al2O3Cu 復(fù)合材料應(yīng)用于以下幾個方面 1 代替 Ag 基觸電材料 2 作為導(dǎo)電彈性材料及計算機 CPU 引線框架材料 3 用于微波管結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電及電焊電極材料 12 Al2O3Cu 制備工藝方法 Al2O3Cu 復(fù)合材料是以 Al2O3 顆粒為強化相的 Cu 基復(fù)合材料 Al2O3 是尺寸穩(wěn)定堅硬的 惰性粒子具有良好的熱穩(wěn)定性高溫下仍可以起到牢固的釘扎作用細(xì)小堅硬的 Al2O3 顆粒彌散分布在銅基體上阻礙了位錯的運動大大提高了基體的室溫與高溫硬度也稱作氧化物彌散強化銅 Oxide Dispersion Strengthed CopperODSC 制備 Al2O3Cu 復(fù)合材料采用的方法主要有下面幾種 1 粉末冶金法 2 機械合金化法 3 溶膠－凝膠法 4 內(nèi)氧化法 內(nèi)氧化基本過程是首先使 Cu－ A1A1 發(fā)生氧化而 Cu 不被氧化得到 Al2O3Cu復(fù)合粉末然后壓制燒結(jié)加工成型在合金氧化過程中氧溶解到合金相中并在合金相中 擴散合金中較活潑的組元與氧反應(yīng)在合金內(nèi)部生成氧化物顆粒這個過程定義為內(nèi)氧化 用內(nèi)氧化法制備的 Al2O3Cu 復(fù)合材料不僅保持了銅基體的優(yōu)良導(dǎo)電導(dǎo)熱性而且在室溫及高溫下都具有較高的強度因而內(nèi)氧化法成為商業(yè)化應(yīng)用最廣的一種方法本實驗采用內(nèi)氧化法制備 Al2O3Cu 復(fù)合材料 第二章 彌散銅性能分析 21 不同內(nèi)氧化時間對合金組織的影響 圖 21 中 abcd 分別是試樣經(jīng) 900℃ⅹ 1h 退火和試樣 900℃內(nèi)氧化 3h6h10h后的金相組織 a900℃ⅹ 1h 退火 b900℃ⅹ 3h 內(nèi)氧化 c900℃ⅹ 6h 內(nèi)氧化 d900℃ⅹ 10h 內(nèi)氧化 從圖 ab 中可以看出退火 1h 后心部的晶粒比內(nèi)氧化 3h 后心部的晶粒稍大表明 Al2O3 顆粒析出有抑制晶粒再生長的作用在圖 b 中可以看出內(nèi)氧化后表層晶粒明顯比內(nèi)部晶粒細(xì)小在圖 b c d 中可以看出表面層晶粒隨時間的延長變化不明顯內(nèi)部晶粒變化較大是因為內(nèi)氧化過程中邊界由于氧的擴散距離較短 Al2O3較早的析出釘扎了正在長大的晶粒邊界使晶粒得不到充分長大形成的 Al2O3 較晚晶粒得以充分長大所以表面晶粒較小而在內(nèi)部由于表層 Al2O3 顆粒的形成消耗了氧抑制了氧進(jìn)一步向內(nèi)部擴散即氧向內(nèi)部的擴散速率降低細(xì)小 Al2O3 顆粒的析出較晚較少不能完全起到阻礙或抑制晶粒的再生長從而內(nèi)部晶粒隨內(nèi)氧化時間的延長能夠繞過 Al2O3顆粒的釘扎作用再長大所以內(nèi)氧化 6h10h的內(nèi)部晶粒比內(nèi)氧化 3h 的內(nèi)部晶粒大 22CuA12O3 合金導(dǎo)電率及硬度的影響 圖 2 Cu Al2O3 導(dǎo)電率及硬度隨內(nèi)氧化時間的變化曲線 圖 22是試樣在 900℃下原始試樣及分別內(nèi)氧化 3h6h10h后的試樣電導(dǎo)率及表面硬度 Cu－ Al 合金的內(nèi)氧化處理對電阻具有雙重作用①析出的 Al2O3 質(zhì)點本身使 Cu基體電導(dǎo)率降低② Al2O3質(zhì)點的析出消耗了基體中的 Al 減少了基體中 Al的固溶 量基體中的晶格畸變得以緩解使電導(dǎo)率提高不同溫度下加熱銅鋁合金內(nèi)氧化后電導(dǎo)率均有不同的提高 23 溫度對內(nèi)氧化過程中氧擴散的影響 通過試驗比較對不同內(nèi)氧化溫度制備的 CuA12O3 進(jìn)行了分析 a 700℃ x10h b 800℃ x10h c 900℃ x10h 圖 3 不同溫度下內(nèi)氧化后的 TEM 圖 23 描述的是在內(nèi)氧化溫度 700℃800℃和 900℃下內(nèi)氧化 10小時的合金組織圖片從這三個圖中我們明顯看出隨著內(nèi)氧化溫度的升高內(nèi)氧化層的厚度增加并且可以看出在 700℃ 800℃和 900℃內(nèi)氧化時試 樣表層比內(nèi)部的晶粒細(xì)小 900℃內(nèi)氧化的表層晶粒和內(nèi)部的晶粒大小表現(xiàn)更明顯說明氧化溫度高有利于晶粒的長大和氧的擴散 從熱力學(xué)公式出發(fā)考慮顯然是在氧分壓允許的范圍內(nèi)溫度越高內(nèi)氧化速度越快實際上限制溫高的因素很多合金的熔點粉末的燒結(jié)試樣表面與粉末熔合引起的不平整但溫度過高時間過長易發(fā)生 Al2O3 顆粒的粗化還會影響材料的性能從試驗中可以得出平板狀試樣的內(nèi)氧化溫度在 900℃左右較好為今后的氧化鋁彌散銅合金復(fù)合材料的研究奠定了堅實的基礎(chǔ)圖－不同變形量下抗拉強度的變化曲線 圖 24 描述了 CuAl 合金 900℃ x3h 內(nèi)氧化 后分別變形 020406080 后其抗拉強度和變形量的關(guān)系曲線從圖中可以看出隨變形量的增大其抗拉強度是不斷增高的這與彌散強化合金的加工硬化現(xiàn)象顯著有關(guān)費希爾 Fisher 哈特 Hart 和普賴 Pry 等認(rèn)為通過繞過方式堆積在彌散粒子周圍的大量位錯環(huán)群對弗蘭克瑞德 FrankRead 位錯源作用反向應(yīng)力使變形應(yīng)力增加從而使 CuAl 合金在變形區(qū)域產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象提高其抗拉強度 25 CuAl 合金內(nèi)氧化的熱力學(xué)分析 采用氧化物粉末作為氧化劑是使用較多的內(nèi)氧化工藝一般把 CuAl 合金粉末與氧化劑粉末混和均勻后 封裝在密閉的容器內(nèi)設(shè)法降低容器內(nèi)的氧分壓使氧化物分解放出氧氣氧化較活潑的鋁 圖－ CuAl 氧化還原的熱力學(xué)條件 CuAl 的氧化還原條件如圖－所示根據(jù)熱力學(xué)原理在某一溫度下介質(zhì)氧分壓等于理論分解壓體系處于平衡狀態(tài)當(dāng)氧分壓低于氧化物的分解壓時氧化物將進(jìn)行還原反應(yīng)反之將發(fā)生氧化反應(yīng) 由圖 2－可見 Al2O3的分解壓很低因此在一般實驗及生產(chǎn)條件下鋁的氧化是一個自發(fā)的過程相對而言銅的氧化物分解壓要高得多容易滿足分解條件例如在真空氧分壓較低得惰性氣氛中銅的氧化物均很容易發(fā)生分解放出氧氣溫度提高壓力降低有利于 CuO 和 Cu2O 的分解在 1000℃加熱時常壓下 CuO 也將發(fā)生分解 在常壓常溫或高溫 1083℃常壓條件下 Cu 粉和 Al 粉都可能發(fā)生氧化因此必須控制內(nèi)氧化的介質(zhì)上限為 Cu2O 形成或分解的臨界氧分壓曲線 2 下限即為 Al氧化的臨界氧分壓曲線 1 內(nèi)氧化工藝制備了性能優(yōu)越的 Al2O3Cu復(fù)合材料與傳統(tǒng)制備方法得到的試樣性能相似因此為工業(yè)上的應(yīng)用提供了依據(jù) 2 試驗分析獲得的 Cu Al2O3 彌散強化銅同一時間下內(nèi)氧化后的晶粒在邊界處比在內(nèi)部細(xì)小細(xì)小彌散分布的Al2O3 顆粒起到釘扎作用阻礙晶粒的長大隨著內(nèi)氧化時間的延長內(nèi)部由于氧 原子擴散到的時間較長形成的 Al2O3 較晚晶粒得以充分長大內(nèi)部晶粒長大 3 固溶在 Cu 基體內(nèi)部的 Al 以 Al2O3 形態(tài)從基體析出彌散分布的納米級的Al2O3顆粒強化了銅基體導(dǎo)電率和表面顯微硬度提高與 Al的固溶強化相比 Al2O3粒子的彌散強化不僅大大提高了電導(dǎo)率而且顯著提高了材料的硬度 CuAl2O3 式樣的檢測結(jié)果顯示 CuAl2O3復(fù)合材料具有較好的導(dǎo)電 CuAl2O3所檢測到的較好結(jié)果說明其試驗工藝合理其內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較適合實際的熱擠壓工藝要求 通過這次畢業(yè)設(shè)計完成了的接觸分析以及對彌散銅的分析對所學(xué)知識進(jìn)行了一 次綜合考察在這次設(shè)計中我也發(fā)現(xiàn)自己的不足缺乏理論和實驗基礎(chǔ)在設(shè)計中難免有考慮不周之處將會是我今后努力和學(xué)習(xí)的方向經(jīng)過了近兩個月的畢業(yè)設(shè)計在此我要特別感謝老師的大力培養(yǎng)和虛心教導(dǎo) 通過這次畢業(yè)設(shè)計完成了的接觸分析以及對彌散銅的分析對所學(xué)知識進(jìn)行了一次綜合考察感到收獲很大鍛煉了獨立思考的能力通過深入研究和同學(xué)融洽配合同時在這次設(shè)計中我也發(fā)現(xiàn)自己的不足缺乏理論和實驗基礎(chǔ)在設(shè)計中難免有考慮不周之處 學(xué)生 2021 年 05 月 28 日 附錄 程序 1 BATCH COMANSYS RELEASE 100 inputmenusttmp1 GRAPOWER GSTON PLOINFO3 GROCURLON CPLANE1 REPLOTRESIZE WPSTYLE0 PREP7 BLC40011 ET1SHELL63 R1002 RMORE RMORE RMORE MPTEMP MPTEMP10 MPDATAEX120e8 MPDATAPRXY103 FLST544ORDE2 FITEM51 FITEM54 CM_YLINE LSEL P51X CM_Y1LINE CMSEL_Y LESIZE_Y1 20 1 MSHAPE02D MSHKEY0 CM_YAREA ASEL 1 CM_Y1AREA CHKMSHAREA CMSELS_Y AMESH_Y1 CMDELE_Y CMDELE_Y1 CMDELE_Y2 FLST214ORDE1 FITEM24 GO DLP51X ALL FLST214ORDE1 FITEM22 GO SFLP51XPRES500 FI