W-SiC_p/Cu复合材料的热压烧结制备及其性能研究

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Cu具有导热性和导电性能好的优点;SiC具有低热膨胀系数、高弹性模量、低密度等优点;W的熔点高、密度大、热膨胀系数低、强度高,新型的W-SiCp/Cu复合材料可以结合三者的优点,而具有积极的意义和广阔的前景。目前存在SiC-Cu、W-Cu二元复合材料的大量报道,而W-SiCp/Cu三元复合材料鲜有报道。W-SiCp/Cu复合材料结合了W、Cu、SiC三者的优点,具有低热膨胀系数、低成本、高硬度、高强度、良好地导电性、导热性及优良的耐磨性等性能,是极具潜力的新型三元体系复合材料。本文主要目的是探索和研究W-SiCp/Cu三元复合材料的制备、结构及性能,具体采用真空热压烧结的方法制备获得不同W含量(0vol.%、20vol.%、30vol.%、40vol.%、60vol.%)的W-SiCp/40vol.%Cu复合材料,通过研究不同烧结温度、压力及保温时间等影响因素对W-Cu-SiC复合材料致密化、物相(XRD)及微观结构(SEM、EPMA)的影响。研究发现不同的烧结温度、压力及时间对材料的致密度及密度有影响,结合EPMA结果分析发现温度过高时会造成SiC颗粒的溶解Si元素向Cu相中发生扩散,不利于复合材料的制备。结合SEM图谱表明烧结温度、压力及时间对孔隙的减小和烧结的进行有促进作用,当烧结温度950°C,烧结压力为100MPa,保温时间2h时复合材料内部结构紧密,无明显孔洞存在,W、SiC在Cu中分散均匀,复合材料完全烧结致密。W-SiCp/Cu复合材料的致密化机制为烧结温度、压力及保温时间提供致密化动力,促进Cu的塑性变形及流动,填充缝隙,使烧结更为充分,这决定了复合材料的断裂方式为SiC与Cu、W与Cu的沿晶断裂及Cu相的韧性断裂,另外存在少量W颗粒的穿晶断裂。结合最佳烧结工艺烧结获得致密的不同W含量W-SiCp/Cu复合材料,同时研究探讨W含量的变化对W-SiCp/Cu复合材料致密度、组织结构、物相等影响,最佳烧结工艺条件制备的W-SiCp/Cu复合材料最高致密度可达99.3%,W含量越高材料致密度越高,这主要由于W-Cu润湿性较SiC-Cu更优异且更易烧结,对复合材料的物相无明显影响。W含量越高复合材料的微观结构更为紧密,无明显孔洞存在,由于SiC与Cu界面结合力差,低W含量的复合材料存在少量SiC与Cu界面小缝隙及SiC颗粒破损现象。通过表征测试W-SiCp/Cu复合材料的结构及性能,建立W含量与W-SiCp/Cu复合材料的性能之间的关系。随着W含量的增大,复合材料的抗弯强度由130MPa增大到476MPa,维氏硬度在227HV-282HV范围内变动。复合材料的体积声速为3.575-4.259km/s,与混合物模型预测值接近,并且有相同变化规律,可采用模型预测复合材料的体积声速。40-200°C温度范围内不同W含量的W-SiCp/Cu复合材料的热膨胀系数为9.3-10.6×10-6K-1,W-SiCp/Cu复合材料的热膨胀系数随温度变化有相同的变化规律及相近的数值。热导率由99W/mK增大到212W/mK,这些力学及热学性能的研究为W-SiCp/Cu三元复合材料的研究及应用提供参考。
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