放电等离子烧结制备Cu/SiC复合材料及组织性能研究

马会中，冯圣尧，陈梓轩

(郑州大学 力学与安全工程学院，河南 郑州 450001)

铜是与人类关系非常密切的有色金属，被广泛地应用于电气、轻工、机械制造、建筑工业、国防工业等领域，在中国有色金属材料的消耗量中仅次于铝。铜具有很好的延展性，并且导热和导电性能较好[1]。

碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，用以制成的高级耐火材料，耐热震、体积小、重量轻而强度高，节能效果好。碳化硅的硬度很大,莫氏硬度为9.5级，仅次于世界上最硬的金刚石和立方氮化硼(10级)，具有优良的导热性能，是一种半导体，高温时能抗氧化。因其3.2 g/cm3的密度及较高的升华温度(约2700 °C)，在任何已能达到的压力下，它都不会熔化，且具有相当低的化学活性。由于其高热导性、高崩溃电场强度及高最大电流密度，在半导体高功率元件的应用上，具有广泛的应用前景[2]。

弥散颗粒增强金属基复合材料具有强度高、耐疲劳等性能优点[3-5]。放电等离子烧结法具有加热均匀、升温速度快、烧结温度低、烧结时间短、生产效率高、产品组织细密均匀、可保持原料的自然状态、可烧结制备梯度材料以及复杂工件等优点[6]。本文选用铜-碳化硅复合材料作为研究对象，以碳化硅增强铜基体，预期将该复合材料应用于车载发动机散热器。

1 实验材料与方法

基体材料选择高纯电解铜粉(纯度99.9%)，增强体选用碳化硅粉(纯度99.9%)。将铜和碳化硅分别按照99%和1%，97%和3%，95%和5%，93%和7%，91%和9%的配比置于行星式球磨机中干磨2 h，使粉料混合均匀。后将混合均匀的原料粉末置于圆柱模具内进行放电等离子烧结。以制得不同含量的复合材料样品。烧结温度为900℃。烧结时间为5 min保温，烧结压力为30 MPa。烧结样品的直径为30 mm。将制备所得样品用扫描电镜(Scanning Electron Microscope，以下简称SEM)进行形貌观察。再用HV-5 小载荷维氏硬度仪测量复合材料的维氏硬度，测试载荷为1N，加载10 s，每个样品测试4个点以上取其平均值。采用旋转摩擦实验来测量摩擦磨损硬度，摩擦载荷为5N，旋转速度为200 r/min，单样测试时间为30 min。

2 实验结果与讨论

2.1 微观组织

不同含量Cu/SiC复合材料的SEM微观表面形貌图像如图所示。从图1可以看出，Cu/SiC复合材料中，SiC颗粒整体分布都较均匀，说明高能球磨能够有效改善增强颗粒在基体中的均匀分布，烧结样品质量较好。随着SiC颗粒含量增加，颗粒在样品中分布更为均匀，团聚现象明显减少增强效果明显。但当SiC颗粒含量提升至9%时，可以看出SiC颗粒之间形成了纹路状结构。SiC属于空间网状结构原子晶体，C与Si原子都与多个原子相结合。纹路状结构的出现说明较高SiC含量下SiC的原本结构受到一定的破坏，生成了新的C-C和Si-Si键。此时SiC的含量增加，但结构被破坏，导致增强效果减弱。

图1 不同含量的Cu/SiC复合材料的微观形貌Fig.1 Micro morphology of Cu/SiC composites with different contents(a)纯铜；(b)1%SiC；(c)3%SiC；(d)5%SiC；(e)7%SiC；(f)9%SiC；

2.2 性能

表1为不同含量的Cu/SiC复合材料硬度。从表中可以看出，SiC颗粒的添加能大幅提高复合材料的硬度。这是由于SiC的高硬度极大强化了复合材料。随着SiC颗粒含量增加，复合材料硬度迅速提高，当SiC颗粒含量由1%提升至5%时，复合材料硬度升高幅度较小。这是因为当SiC颗粒含量达到5%时，SiC颗粒与铜基体的结合程度较好，致密度较高，表现为稳定的硬度值。随着SiC颗粒含量继续增加，Cu/SiC复合材料硬度继续提高，且变化幅度较大。同时致密度下降。

表1 不同含量的Cu/SiC复合材料的硬度Table 1 Hardness of Cu/SiC composites with different contents

从中可以看出，当SiC颗粒含量偏少时，增加SiC颗粒含量可在球磨期间形成较多的细小SiC颗粒，可提高复合材料的致密度。而进一步提高SiC含量时，会出现大量SiC颗粒的团聚现象，导致复合材料致密度反而下降。

下图为不同含量的铜-碳化硅复合材料的摩擦系数曲线，在碳化硅含量为7%时，摩擦系数最低。碳化硅含量超过7%时，与纯铜和碳化硅的摩擦系数相比，复合材料的摩擦系数出现显著增大。该现象说明该含量下，复合材料的自润滑性降低。

图2 不同含量的SiC/Cu复合材料的摩擦系数变化图Fig.2 Variation diagram of friction coefficient of SiC/Cu composites with different contents(a)纯铜；(b)1%SiC；(c)3%SiC；(d)5%SiC；(e)7%SiC；(f)9%SiC

表2 不同含量的Cu/SiC复合材料的摩擦系数Table 2 Friction coefficient of Cu/SiC composites with different content

结合图表可以看出，相比于纯铜，含少量SiC的复合材料样品表现出较高的摩擦系数，说明此时界面结合较差，致密度较低。随着SiC含量增加至7%，SiC粉末更加广泛地分布在铜基体中，产生更加优良的致密度与耐磨性能。当SiC含量增加至9%，摩擦系数出现显著提升。说明了此时SiC含量过高，样品润滑性能下降。

3 结论

采用放电等离子烧结工艺制备了不同含量的SiC增强SiC/Cu 复合材料，观测了复合材料的组织性能，研究了SiC颗粒含量对复合材料组织性能的影响，得到如下结论：

(1)高能球磨能促进增强颗粒的均匀分布，减少团聚现象的发生。放电等离子烧结具有烧结温度低、保温时间短的特点，可有效减少甚至避免基体与增强体有害反应的发生。烧结样品中增强体分布均匀，增强效果明显。

(2)当SiC颗粒含量较低时，随着SiC颗粒含量增加，颗粒分布更加广泛，且团聚现象减少，复合材料致密度提高，复合材料硬度与耐磨性均提高。当SiC颗粒含量超过7%时，SiC结构发生变异，原子间结合变弱，导致增强效果降低，润滑性下降。