Cu-Ti3SiC2复合材料真空热压法制备及性能研究

孙小燕，赵浩，潘培道，汪列隆

(1.池州学院机电工程学院，安徽 池州 247000；2.合肥工业大学材料与工程学院，安徽 合肥 230009 )

0 引言

铜是常见的金属材料，有优良的导热和导电性，应用广泛。纯铜强度较低，耐磨性差，而零件主要失效形式大多包含摩擦磨损，故铜的耐磨性能备受研究工作者关注。经研究发现，以铜为基体添加不同的增强相形成的铜基复合材料得到了较大发展，铜基复合材料具有强度高、抗电弧侵蚀性好和抗磨损能力强等特点，呈现出广阔的应用前景[1]。Ti3SiC2是一种具有MAX层状结构的化合物材料，兼具金属与陶瓷性能，具有高强度，良好的导热、导电等性能，相关研究人员利用Ti3SiC2材料的特点，将Ti3SiC2粉作为增强相与Cu粉复合制备成金属基复合材料，研究该复合材料的性能。鉴于此，将Cu粉与Ti3SiC2颗粒通过热压烧结方法制备而成的Cu-Ti3SiC2材料，研究工艺方案对复合材料的微观结构和物理力学性能、摩擦磨损的影响，并对其形成机理进行分析，使其有望在电接触材料应用中有较大的收获，并为今后的应用提供依据。

1 实验材料及方法

本实验所采用的原料来源：铜粉购于国药试剂网，纯度为99.2%，粒度200目，Ti3SiC2粉购于肥城联粒新材料科技有限公司，纯度约为98%，粒度为-200目。为保证铜粉的纯度，先将Cu粉还原，然后将Cu粉与不同体积分数的Ti3SiC2粉配料，按表1称取相应质量的Cu粉和Ti3SiC2粉末，刚玉球磨罐中手动混粉2-3 h，干燥后进行热压烧结。多次实验研究发现，氩气保护气氛下，真空热压烧结，温度高于750℃，Cu和Ti3SiC2会发生反应，经XRD检测分析有TiSi2等杂质产生，而Ti3SiC2在Cu中的稳定性尤为重要，所以烧结温度确定为750℃，压力 30 MPa，保温 30 min。

烧结后得到尺寸为Φ45 mm×4 mm的试样，线切割成实验测试所需的36 mm×4.8 mm×3 mm尺寸，去除样品表面氧化物和其他杂质，用酒精清洗，吹干后用砂纸打磨，砂纸顺序依次为 400#，600#，800#和1000#，重要的测量面还需要进一步研磨抛光。打磨时，同样品同目数的砂纸，每次磨痕要互相平行，换更细的砂纸，打磨方向换90°角。砂纸型号越细，磨削力越小[2]，防止增强相颗粒脱落，降低其所测性能，磨好的样品用清洗酒精，用金相显微镜观察其微观结构；采用LFA457激光导热仪测试样热导率；阿基米德排水法测试样密度；自制双臂电桥法测阻仪测试样电阻；岛津DCS-5000万能材料试验机测试样抗弯强度，并用SU8020扫描电子显微镜测试其断口形貌；HBV-30 A型布维氏硬度计测试样的硬度，载荷设为50 N，淬火钢球(直径D=1 mm)，将其压入待测烧结试样表面，保压30 s卸载后，读出其圆形压痕直径 ，求出布氏硬度值，多次测量得出平均值。

自制双臂电桥法测电阻仪来测被测样品的电阻率，计算如式(1)，工作电路原理如图1所示。

式中：σ-电阻率(μΩ·m)；L-电位针间距(mm)；I-通电电流(A)；S-被测试样横截面(mm2)；U-两个电位针间电压(mv)；

图1 双臂电桥法测电阻工作电路原理图

测量步骤如下：

(1)分别测量三次样品的长L、宽b和高h，记录后求平均值、和 ，再计算横截面积S。

(2)将样品依次放到自制双臂电桥法测电阻仪的装置中，改变电流，记录相应的电压值U，再利用公式(1)计算对应的电阻率，电阻率变化趋势如图5。

抗弯强度的测试原理示意图如图2所示，被测试材料的尺寸是36 mm×4.8 mm×3 mm，采用三点弯曲法测量，跨距为32mm，加载速率是0.5 mm/min。每个成分的样品测试三遍，根据计算公式(2)，其中L是两支撑刀口的距离，求每次测量的抗弯强度，然后取其平均值。

图2 被测试样抗弯加载示意图

其中，σb-抗弯强度(N/mm2)；F-被测试样断裂时承载的最大载荷(N)；b-试样宽度(mm)；h-试样高度(mm)。

2 实验结果及分析

2.1 微观结构分析与致密度

图3依次为相应体积分数10%，15%，20%，25%，30%的Cu-Ti3SiC2复合材料烧结后，经过砂纸仔细打磨并抛光后的显微组织照片[3]，图片中浅灰色相为基体铜，深灰色相为Ti3SiC2，黑色为孔洞，如图3中的箭头所示，且由图3看，Ti3SiC2的分布较为均匀。图中(a)、(b)复合材料是致密的，图(c)、(d)和(e)复合材料中有孔洞出现，孔洞的形状不规整，由于Ti3SiC2颗粒易团聚，故孔洞大部分集中在Ti3SiC2颗粒周围，使得复合材料致密度下降。

图3 Cu-Ti3SiC2复合材料烧结后的显微组织照片

致密度是指晶胞中的原子与该晶胞所占体积比例，是材料均匀性的重要指标，高温烧结是提高材料致密度的有效方式之一。阿基米德排水测试样的实际密度ρ0与理论密度ρ0比值[4-5]，测得具体数值为复合材料的致密度，作出成分-致密度曲线变化趋势图，如图4所示。从图4知，Cu-Ti3SiC2复合材料的致密度随Ti3SiC2的体积分数增多而降低。这是由于增强相Ti3SiC2和基体Cu的晶界增多，复合材料的孔隙增多，导致致密度下降，这与显微结构的分析是一致的。

图4 Cu-Ti3SiC2致密度随Ti3SiC2含量变化曲线

2.2 电阻率

电阻率是材料物理性能衡量指标之一[6]。从图5知，Cu-Ti3SiC2复合材料的电阻率随Ti3SiC2相体积分数增加而增大。一般地，材料的电导率与其显微组织及密度相关，复合材料的电阻率与基体和增强相配比及增强体与基体间的结合程度有关。查资料知Cu的电阻率为 1.673×10-8Ω·m，Ti3SiC2的电阻率为2.2×10-7Ω·m，Ti3SiC2的电阻率比Cu大得多[7-8]，所以随着增强相Ti3SiC2分数的增加，Cu-Ti3SiC2的电阻率应随之增大；且随着增强相含量的增加，复合材料两相接触面积增加，界面对复合材料的导电率是不利的，所以复合材料的电阻率随增强相增加呈增大趋势；另外上述测定复合材料的致密度随Ti3SiC2含量增加而降低，据导电原理复合材料中的孔洞会引起电子波散射[2]，综合因素导致复合材料电阻率随增强相增加而增大。

图5 Cu-Ti3SiC2电阻率随Ti3SiC2含量变化曲线

2.3 硬度

硬度是指材料承载局部变形的能力。根据测量方法和适应范围可分为布氏硬度和维氏硬度等多种，适用于不同材料或场合[9]。布氏硬度压痕深，测量范围广，准确性高，适应性强[10]。基体Cu的硬度值较低，而Ti3SiC2硬度为4 GPa。本实验采用HBV-30 A型布维氏硬度计，实验所测Cu-Ti3SiC2硬度随增强相含量的变化如图6所示。由图知，随着Ti3SiC2含量的递增，布氏硬度先增加后下降，Ti3SiC2体积含量取总量的25%时，HBS达到105.3，当Ti3SiC2体积含量超过总的25%时，硬度值明显下降，这是因为随着复合材料中孔洞的增多，致密度下降，且增强相含量增加后，两相间的接触界面大大增多[2]，所以复合材料的硬度值下降。

图6 Cu-Ti3SiC2硬度随Ti3SiC2含量变化曲线

2.4 抗弯强度及断口形貌分析

抗弯强度是指材料抵抗弯曲且不断裂的能力，主要用于考察陶瓷等脆性材料的强度，是材料性能重要衡量指标[11]。 由试验知，当从Ti3SiC2含量低，不超过10%时，复合材料呈现出较大的塑性，弹性变形大不易断裂。随着Ti3SiC2含量增加，从图7可看出，Cu-Ti3SiC2复合材料的抗弯强度随增强相Ti3SiC2含量的增加，其抗弯强度呈下降趋势。因为随着Ti3SiC2含量增加，Cu和Ti3SiC2之间的界面增多，且界面结合较弱，孔隙数量增多，综合原因导致Cu-Ti3SiC2复合材料的抗弯强度下降。

利用扫描电镜观察Cu-Ti3SiC2复合材料样品抗弯断裂的断口形貌，如图8所示，光亮的晶粒为铜相，箭头B所示，较暗淡的区域为Ti3SiC2相，箭头C所示。随着Ti3SiC2含量增加，形貌逐渐从网状结构过渡到层片状结构，当Ti3SiC2含量为15%、20% 时，如图(a)、(b)，层片状结构的 Ti3SiC2镶嵌在网状结构，使得 Cu-Ti3SiC2复合材料弯曲强度较高；随着Ti3SiC2含量增加为25%、30%时，如图(c)、(d)，呈现出典型的穿晶断裂形式，其断裂方式为脆性断裂[12]；当Ti3SiC2含量增加时，铜颗粒粘结不致密，产生少量孔洞，箭头D所示，如图(c)、(d)，使得复合材料致密度下降，抗弯强度随之下降。

图7 Cu-Ti3SiC2抗弯强度随Ti3SiC2含量变化曲线

图8 Cu-Ti3SiC2复合材料抗弯断口微观形貌图

3 结论

实验采用热压烧结法，制备了5种Ti3SiC2体积分数为10%，15%，20%，25%，30%不同的Cu-Ti3SiC2复合材料，此成分的配比，使得复合材料在电接触材料应用性能较好，有别于以往增强相体积配比比例较大的情况。同时研究了Cu-Ti3SiC2复合材料相关性能和微观结构，结论如下：

(1)Cu-Ti3SiC2复合材料随着增强相Ti3SiC2分数的增多，硬度先增加而后降低，电阻率增大显著，相对密度和抗弯强度呈降低趋势。

(2)采用热压烧结方法制备的Cu-Ti3SiC2复合材料，烧结温度为750℃，压力 30 MPa，保温30 min工艺下，金相显微分析知，Ti3SiC2在基体材料中分布较均匀，Ti3SiC2含量低时材料致密度好，但随Ti3SiC2含量增大，复合材料的致密度下降。

(3)Cu-Ti3SiC2复合材料随着增强相含量增大，抗弯断口形貌分析知孔洞增加，致密度下降，脆性方式断裂。