中文名 | 陶瓷颗粒增强钢基表层复合材料的界面连续性控制 | 项目类别 | 面上项目 |
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项目负责人 | 蒋业华 | 依托单位 | 昆明理工大学 |
本项目以高温工况下使用的零部件为应用背景,项目实施对充实陶瓷颗粒增强钢基表层复合材料中界面研究具有重要意义。项目结合界面热力学计算和模拟,借助差热分析测试研究界面反应,探索其反应机制,提出控制界面连续性的合适方法,从而解决基体与增强颗粒、基材与复合层之间的热物理性能不匹配所引起的材料寿命下降问题。主要科学思想是:改变 WC颗粒粒度、体积分数进行层状过渡设计、在基材与复合层间加入钨铁、钼铁等合金粉末、对颗粒表面镀塑性层等方法使界面处成分、组织、结构可以适当过渡,从而使热物理性能也能适当过渡。主要研究内容是:(1)界面反应热力学和反应机制;(2)界面连续性控制机理;(3)制备可控制界面连续性的表层复合材料的工艺研究;(4)热疲劳裂纹萌生、扩展机理;(5)界面的连续性对热疲劳裂纹萌生、扩展的影响机制。主要目标为:建立界面连续性与热疲劳裂纹萌生、扩展间的联系,通过界面控制提高材料的热疲劳性能。
批准号 |
50871048 |
项目名称 |
陶瓷颗粒增强钢基表层复合材料的界面连续性控制 |
项目类别 |
面上项目 |
申请代码 |
E0105 |
项目负责人 |
蒋业华 |
负责人职称 |
教授 |
依托单位 |
昆明理工大学 |
研究期限 |
2009-01-01 至 2011-12-31 |
支持经费 |
32(万元) |
陶瓷基复合材料是100元,蛮不错的,做工特别精良,使用手感也不错,锋利,抗压力强,抗击力很好,耐用,实用。后期保养方便简单。陶瓷刀拥有无可比拟的锋利刀锋,能削出如纸一样薄的肉片。精密陶瓷有超强的硬度及...
陶瓷复合材料是由陶瓷相和含有2至98%碳和/或氮化硼作为主要组分的相组成的,并且其平均颗粒大小为100nm或以下,其中热膨胀系数在2.0至9.0×10-6/℃,在表面抛光后的表面粗糙度为0.05微米或...
碳纤维增强复合材料300g价格362元。碳纤维增强复合材料300g具有低密度、高强度、高比模量、高导热性、低膨胀系数、摩擦性能好,以及抗热冲击性能好、尺寸稳定性高.以上价格来源于网络,仅供参考。希望我...
脱粘界面是陶瓷颗粒增强金属基复合材料中存在的细观缺陷,根据细观力学方法将陶瓷颗粒、脱粘界面和基体壳简化为椭球三相胞元,并通过Eshelby等效夹杂理论和Mori-Tanaka方法的推导得到颗粒和脱粘界面的等效本征应变,进而对三相胞元的弹性常数进行预报。考虑到三相胞元在复合材料中随机分布,由坐标变换公式和物理方程计算出复合材料的有效弹性常数,并根据数值方法得出弹性常数与颗粒以及脱粘界面含量的关系。
用铝和陶瓷颗粒制成复合材料 ,在 7.6 2mm穿甲弹的侵彻下 ,复合材料的抗弹性能表现为 :当复合材料中的陶瓷颗粒尺寸小于 8mm时 ,防护系数随陶瓷尺寸的增加而缓慢增加 ;当陶瓷尺寸大于 8mm时 ,防护系数随陶瓷尺寸的增加快速增加。在抗弹过程中 ,由于铝对陶瓷的约束作用 ,和铝与陶瓷界面的波阻特性 ,用铝复合陶瓷块制备陶瓷复合材料可以提高复合材料的抗弹性能
碳纤维增强铝基复合材料是一种重要的复合材料,因具有轻质、高强、良好的塑性和导热性,被认为是理想的功能材料和结构材料,可广泛应用于航天航空、军事和汽车工业等领域。碳纤维与铝基体的界面结合问题是碳纤维增强铝基复合材料制备过程中最重要也是最难控制的环节。本项目以碳纤维布增强铝基复合材料为研究对象,研究碳纤维布与铝基体凝固过程及塑性变形阶段的界面行为。利用同步辐射原位成像、数值模拟、高分辨透射电镜等手段表征凝固过程中碳纤维与铝基体的界面反应、界面形貌及反应产物,研究电磁场、压力场及表面处理对界面行为的影响机制,研究固态变形过程中界面结构的协同变形机制。掌握碳纤维与铝基体结合过程中界面的形成和演变规律,并深入阐释界面形成的热力学和动力学机制。在此基础上,解决铝熔体对碳纤维布的浸渗问题,并实现控制碳纤维与铝基体的结合反应过程,为研究碳纤维增强铝基复合材料的制备方法提供理论指导。
碳纤维增强铝基复合材料因具有轻质、高强、良好的塑性和导热性等特点,被认为是理想的功能材料和结构材料,有望应用于航天航空、军事和汽车工业等领域。本项目以碳纤维编制布增强铝基复合材料为研究对象,研究碳纤维与基体结合过程中的界面反应行为,以及凝固过程中镀层工艺和外场对界面行为的影响,为碳纤维增强铝基复合材料的制备方法提供理论指导。本项目经过三年研究,取得如下结果: 1、提出一种半固态铸轧法制备碳纤维布增强铝基复合材料的工艺,利用压力场促使铝基体和碳纤维编织布的界面结合。借助模拟计算建立了温度参数和塑性变形量间的关系,阐释变形机制。通过调控外加压力和金属流动性,实现了铝熔体对碳纤维布的完全渗进。碳纤维编织布增强铝基复合材料板材能够在弯曲变形中提供良好的强化效果。 2、得到基体和纤维的渗进规律,阐释电磁诱导的渗浸转变机制。在液态复合过程中引入脉冲磁场,实现了金属熔体对编织布的渗浸过程由逐层渗浸方式向梯度同步渗浸方式转变。电磁场引入的磁致压力促进增加熔体渗浸深度。以此为基础实现了电磁铸造法制备碳纤维布增强铝基复合材料。 3、设计针对平纹碳纤维编织布的表面镀层新工艺。在传统化学镀层的工艺基础上,优化了一种针对于平纹碳纤维编织布特点的表面化学镀镍方法,将镀液的稳定时间延长至 120min以上,镀层的含磷量降低至9wt.%。并通过开发新的氧化剂体系,设计了胶态钯镀液化学镀镍工艺和碳纤维表面接枝短链羧酸铜的工艺。不仅简化了原有的镀层工艺,大幅降低了成本,更提升了镀层的均匀性与稳定性。
随着信息化时代的迅速发展,传统的电子封装材料已经不能满足现代集成电路以及各类电器元件电子封装的发展要求。由于铜具有热膨胀系数比铝低、热导率比铝高的特点,故选用铜代替铝制备电子封装用铜基复合材料无疑是极具竞争力的候选材料之一。SiCp/Cu复合材料由于综合了铜和增强体的优良特性而具有较好的导热、导电性能和可调的热膨胀系数,因此具有非常广阔的应用前景。但目前有关该体系的理论研究与应用研究尚不成熟,迫切需要进行更多的探索和研究。
国际上对SiCp/Cu体系的研究起步较晚,直到1996年才有了关于该体系的相关报道。该领域发展比较缓慢的主要原因在于,一方面很难实现Cu和SiC颗粒的均匀分散,另一方面则与两者之间高温不润湿有关。制备SiC/Cu金属陶瓷复合材料的主要技术难点在于:①如何改善SiC与Cu相互间的润湿性及化学相容性,解决两者之间相互不润湿情况下的结合和均匀、稳定分散。②如何避免由两者热膨胀不匹配引起的界面热应力,从而实现致密化烧结。③如何合理控制SiCp和Cu高温下的反应,从而既保证界面结合强度,同时又保持SiCp的颗粒增强效果。
笔者选用工业化的SiC微米粉体材料,采用化学镀铜工艺制备了Cu包覆SiCp复合粉体,并对复合粉体的组成和形貌进行了分析。以该复合粉体为原材料,利用真空热压烧结和非真空热压烧结两种工艺制备了SiCp体积分数分别为30%、40%和50%的SiCp/Cu复合材料,并利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和电子探针(EPMA)对复合材料的微观组织和界面微观结构进行了观察和分析。测试了不同工艺、不同成分下SiCp/Cu复合材料的热膨胀性能、导热性能和导电性能等热物理性能,并分析了增强相含量、颗粒大小和热处理状态等因素对复合材料热物理性能的影响。
研究结果表明,通过适当的化学镀铜工艺,可以获得Cu包覆SiCp复合粉体,而且Cu包覆层比较均匀地分布在SiC颗粒表面,Cu包覆层的厚度约为1μm。DSC分析结果表明,SiC颗粒表面的Cu包覆层在990℃时开始熔化。SiC颗粒在铜基体中分布比较均匀,没有明显的偏聚现象。无论是利用Cu包覆SiCp复合粉体,还是利用未包覆粉体制备的SiCp/Cu复合材料,随着SiCp增强相含量的增加,材料的致密度均呈下降趋势。在SiCp增强相含量相同的情况下,利用Cu包覆SiCp复合粉体制备的SiCp/Cu复合材料的致密度要略高于由未包覆粉体制备的SiCp/Cu复合材料;SiC增强相颗粒与铜基体之间的界面干净,机械结合良好。在界面处,Cu元素与Si元素有少量的相互扩散,还可以观察到少量的Cu3Si相的形成。
本研究制备的SiCp/Cu复合材料具有优异的热物理性能。随着增强相SiCp体积分数的增加,SiCp/Cu复合材料的热膨胀系数、热导率和电导率均呈明显的下降趋势;而在增强相含量一定的情况下,SiC颗粒尺寸越大,SiCp/Cu复合材料的平均线膨胀系数、热导率和电导率越高。化学镀铜工艺可以明显改善增强相粒子与基体铜之间的界面结合,提高SiCp/Cu复合材料的热导率和电导率,同时降低其热膨胀系数,可以实现热/电导率和热膨胀系数的良好结合。适当的退火处理工艺可以明显提高SiCp/Cu复合材料的热导率和电导率,消除复合材料制备过程中产生的残余应力,同时使得热膨胀系数有所降低。
对SiCp/Cu复合材料的力学性能进行了测试。测试SiCp/Cu复合材料的硬度和三点弯曲强度,并利用扫描电镜(SEM)对复合材料的断口进行观察和分析,分析复合材料断裂机制。研究结果表明,随着增强相SiCp体积分数的增加,复合材料的布氏硬度先是逐渐升高而后逐渐下降,但是弯曲强度呈连续下降趋势。在增强相含量和颗粒尺寸相同的情况下,利用Cu包覆SiCp复合粉体制备的SiCp/Cu复合材料,其硬度值和弯曲强度均略高于采用未包覆粉体制备的SiCp/Cu复合材料;在增强相含量和颗粒尺寸相同的情况下,退火处理后的SiCp/Cu复合材料,其硬度值和弯曲强度明显低于退火处理前的SiCp/Cu复合材料。当增强相体积分数为30%时,复合材料断口兼有韧窝断裂和准解理断裂的特征;但当增强相体积分数为50%时,复合材料断口中仅存在少量的撕裂棱和韧窝形貌,复合材料的断裂方式主要以准解理断裂为主。
第1章绪论
1.1引言
1.2电子封装及电子封装材料
1.2.1电子封装及其作用
1.2.2电子封装材料及其性能
1.3化学镀铜概述
1.3.1化学镀铜的发展
1.3.2化学镀铜原理
1.4铜基复合材料的制备方法
1.4.1粉末冶金法
1.4.2挤压铸造法
1.4.3原位自生成法
1.4.4喷射沉积法
1.5电子封装用铜基复合材料的性能
1.5.1热物理性能
1.5.2力学性能
1.6SiCp/Cu复合材料的应用及展望
参考文献
第2章实验方案及研究方法
2.1实验技术路线
2.2实验用原材料
2.3复合材料制备工艺
2.3.1Cu包覆SiC复合粉体的制备
2.3.2复合材料制备工艺过程
2.4分析测试方法
2.4.1组织观察与分析
2.4.2热物理性能测试
2.4.3力学性能测试
第3章Cu包覆SiCp复合粉体的制备及表征
3.1引言
3.2Cu包覆SiCp复合粉体制备工艺
3.2.1镀前处理工艺
3.2.2化学镀铜溶液的组成
3.2.3化学镀铜工艺
3.2.4不同工艺参数对化学镀铜反应速度的影响
3.3Cu包覆SiCp复合粉体的成分及形貌
3.4Cu包覆SiCp复合粉体的热物理性能
3.5小结
参考文献
第4章SiCp/Cu复合材料的微观组织结构
4.1引言
4.2热压烧结SiCp/Cu复合材料的显微组织
4.2.1不同SiCp含量的SiCp/Cu复合材料的显微组织
4.2.2SiCp/Cu复合材料中增强相和基体的微观组织特征
4.3SiCp/Cu复合材料的密度与致密度
4.4SiCp/Cu复合材料的界面研究
4.5SiCp/Cu复合材料中Cu的氧化机制
4.6小结
参考文献
第5章SiCp/Cu复合材料的热物理性能
5.1引言
5.2SiCp/Cu复合材料的热膨胀性能
5.2.1温度对复合材料热膨胀系数的影响
5.2.2颗粒尺寸对复合材料热膨胀系数的影响
5.2.3增强相体积分数对复合材料热膨胀系数的影响
5.2.4化学镀对复合材料热膨胀系数的影响
5.2.5退火处理对复合材料热膨胀系数的影响
5.2.6SiCp/Cu复合材料热膨胀系数模型预测
5.3SiCp/Cu复合材料的导热性能
5.3.1热导率的测试
5.3.2SiCp/Cu复合材料导热分析
5.3.3SiCp/Cu复合材料热传导理论计算基础
5.4SiCp/Cu复合材料的导电性能
5.4.1电导率的测试
5.4.2SiCp/Cu复合材料导电性分析
5.4.3SiCp/Cu复合材料电导率的理论计算
5.5小结
参考文献
第6章SiCp/Cu复合材料的力学性能
6.1引言
6.2SiCp/Cu复合材料的硬度
6.2.1增强相含量对复合材料硬度的影响
6.2.2增强相颗粒尺寸对复合材料硬度的影响
6.2.3SiC颗粒表面化学镀铜对复合材料硬度的影响
6.2.4退火处理对复合材料硬度的影响
6.3SiCp/Cu复合材料的弯曲强度
6.3.1增强相含量对复合材料弯曲强度的影响
6.3.2SiC颗粒表面化学镀铜对复合材料弯曲强度的影响
6.3.3退火处理对复合材料弯曲强度的影响
6.4SiCp/Cu复合材料断口的扫描电镜观察
6.5小结
参考文献