機(jī)械合金化法制備超細(xì)TiC 顆粒及其增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的研究

朱文豪

摘 要：金屬銅具有很好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能，在電子、電器及導(dǎo)電相關(guān)的其他工業(yè)領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用，隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，對用作導(dǎo)電器件的材料有很高的要求，金屬銅低強(qiáng)度和低耐磨性的弊端使得無法滿足工業(yè)發(fā)展的需要，顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料在基本保持金屬銅良好導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能的基礎(chǔ)上提高銅基復(fù)合材料的強(qiáng)度和耐磨性，是一種具有很好的發(fā)展前景的復(fù)合材料，具有可以克服纖維增強(qiáng)復(fù)合材料生產(chǎn)中存在的纖維損壞，微觀組織不均勻，纖維與纖維相互接觸，反應(yīng)帶過大等缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械；合金化法制備；超細(xì)TiC顆粒；增強(qiáng)銅基復(fù)合材料；研究

一、TiC的性能

TiC是十分穩(wěn)定的間隙化合物，具有很高的熔點(diǎn)、高硬度、高楊氏模量、高化學(xué)穩(wěn)定性、耐磨和耐腐蝕等特點(diǎn)，同時(shí)具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。TiC極具吸引力和廣闊的應(yīng)用前景主要有以下幾個(gè)方面；由于其高硬度和高強(qiáng)度可以作為結(jié)構(gòu)材料，用于航空，汽車和工具等工業(yè)中制備結(jié)構(gòu)件，刀具，拉絲模和噴嘴等；利用其高導(dǎo)電性和高導(dǎo)熱性來制備大電流電樞等極，導(dǎo)軌和電樞等材料；利用其高穩(wěn)定性可作為超高溫耐火材料；同時(shí)利用其高硬度和高電性可制備陶瓷基硬質(zhì)合金和用它們作為增強(qiáng)相來制備高強(qiáng)度和高電性能的金屬基復(fù)合材料。TiC材料具有高溫、高強(qiáng)、高電導(dǎo)和高穩(wěn)定性的性能，所以是十分有用的非氧化物陶瓷，也是人們研究的熱點(diǎn)之一，現(xiàn)在世界各國都在研究這種材料。

采用新型材料制備技術(shù)MRS和MA法原位生成TiC/Cu彌散強(qiáng)化復(fù)合材料，對材料的電學(xué)及力學(xué)性能進(jìn)行測試，提出簡便、可行和成本低的新工藝，并且制備出具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性能的銅基復(fù)合材料，為以后銅基復(fù)合材料的研究奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

二、銅基復(fù)合材料的制備方法

1.粉末冶金法

粉末冶金法的主要工藝是把一定的比例Cu粉與增強(qiáng)相顆粒粉末混合均勻、壓制成型以后進(jìn)行燒結(jié)的，再通過液相浸滲法向增強(qiáng)體預(yù)制件內(nèi)熔滲銅，可以使用壓力熔滲法和真空-壓力熔滲法，對于壓力熔滲法是把預(yù)制件放到模具預(yù)熱以后，把金屬熔體傾入，再壓下壓頭，使得在壓力的作用下進(jìn)行熔滲，熔體凝固以后就能脫模，這種方法比較簡單，但是預(yù)制件中的氣體不容易在凝固前排出造成氣孔與疏松，預(yù)制件容易發(fā)生變形和偏移，而真空-壓力熔滲法就是把預(yù)制件放到位于承壓容器中，進(jìn)行抽真空處理，再用氣壓金屬熔體由通道壓到模具內(nèi)，但是這種需要專用設(shè)備容器，制件質(zhì)量是很好的，這種粉末冶金的方法是比較成熟的工藝，材料的性能比較好，但是生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，成本也比較高，生產(chǎn)效率低，對環(huán)境的要求很高。

2.機(jī)械合金化法

機(jī)械合金化技術(shù)是美國INCO公司發(fā)展起來的一種制備合金粉末的新技術(shù)，MA是把合金化的元素粉末混合到一起，在高能球磨機(jī)中長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，將回轉(zhuǎn)機(jī)械能傳遞給金屬粉末，依靠球磨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)或者振動(dòng)使球磨過程中的球與球、球與球磨壁之間產(chǎn)生碰撞、擠壓，使得粉末被強(qiáng)烈的撞擊、研磨和攪拌，并且發(fā)生反復(fù)的斷裂、焊合、塑性變形，使得新鮮沒有反應(yīng)表面不斷暴露，是粉末組織結(jié)構(gòu)不斷的細(xì)化，粉末在機(jī)械力化學(xué)作用，原子不斷的擴(kuò)散，形成非平衡態(tài)或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，MA屬于強(qiáng)制反應(yīng)，球磨過程中從外界引入高能量密度機(jī)械強(qiáng)制作用，粉末顆粒中引入大量的應(yīng)變、缺陷及納米級的微結(jié)構(gòu)，使得粉末具有很高的晶格畸變能和表面能，成為擴(kuò)散和反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力，使得MA過程的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)不同于普通固態(tài)反應(yīng)過程，可以制備出用常規(guī)液態(tài)或氣相法難以合成的新型合金。

MA法可以制備常規(guī)條件下很難合成，具有獨(dú)特性能的新型合金材料，具有成本低、產(chǎn)量大、工藝簡單及周期短等優(yōu)點(diǎn)，使材料遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)，獲得特殊的組織和結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大材料的范圍，避開準(zhǔn)晶、非晶形成時(shí)對熔體冷速和形核條件的苛刻要求。

機(jī)械合金化法主要是通過把不同的金屬粉末和彌散粒子在高能球磨機(jī)中長時(shí)間的研磨，使得金屬材料達(dá)到原子級水平，還有就是把硬質(zhì)粒子均勻地嵌入金屬顆粒中，最終得到復(fù)合粉末，然后在進(jìn)行壓緊、成型、燒結(jié)，磨球的時(shí)候會(huì)引入很多晶格畸變、位錯(cuò)、晶界等缺陷，激活能降低，復(fù)合過程中的熱力學(xué)和動(dòng)力與固態(tài)過程是不同的，無法制備新型亞穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料，使用機(jī)械合金化合成超微細(xì)難熔金屬化合物，可細(xì)小到納米級的微結(jié)構(gòu)，獲得納米晶材料，是現(xiàn)在發(fā)展開發(fā)銅基復(fù)合材料的重要方法，用機(jī)械合金化方法以純元素粉末為原料制得合金粉末結(jié)合熱處理方法得到氧化物彌散強(qiáng)化不斷的完善。

三、超細(xì)納米晶TiC粉末的制備

TiCx 是一種間隙型非化學(xué)計(jì)量化的化合物，由廣范圍的均相組成，TiCx 中的X在0.5-1.0范圍內(nèi)變化，其硬度、熔點(diǎn)、穩(wěn)定性和燒結(jié)等特性都會(huì)隨著X的變化而變化，TiC具有很好的耐腐蝕作用，而且是一種比較好的導(dǎo)電體，具有很高的熔點(diǎn)、硬度和紅硬性，所以在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，由于其特殊的性能，一般都會(huì)作為金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)體，為了可以制備TiC彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料，用Ti和C粉經(jīng)過機(jī)械誘發(fā)自蔓延反應(yīng)合成超細(xì)顆粒的TiC作為彌散強(qiáng)化Cu基復(fù)合材料的增強(qiáng)體。

由于TiC為面心立方結(jié)構(gòu)，滑移帶很多，粉末狀晶粒細(xì)化到幾納米，微觀應(yīng)力無法聚集，晶粒內(nèi)沒有位錯(cuò)和缺陷，顯微應(yīng)變存在晶界，晶粒變小后位錯(cuò)就不能出現(xiàn)大量的推積，隨著磨時(shí)間的增加晶粒的細(xì)化機(jī)制是通過晶界滑動(dòng)，細(xì)化速度減慢，晶界變薄，晶界處的位錯(cuò)密度減小，嚴(yán)重的機(jī)械力作用下晶格傾向于收縮，當(dāng)球磨到一定程度，晶粒尺寸變化緩慢，點(diǎn)陣畸變度不會(huì)改變，自由能的增大受到限制，TiC無法獲得向非晶態(tài)轉(zhuǎn)變的能量。

四、機(jī)械合金化法制備超細(xì)TiC 顆粒及其增強(qiáng)銅基復(fù)合材料展望

現(xiàn)在的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的研究主要集中在新合金的研制、制備方法的改進(jìn)及致密方法的優(yōu)化，顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料處在工業(yè)化生產(chǎn)的初期，隨著航空、航天及汽車工業(yè)的發(fā)展，對低密度、高性能的金屬基復(fù)合材料的要求越來越高。對于銅基材料熔點(diǎn)比較高、密度大、比強(qiáng)度小河制造工藝十分的困難，所以銅基復(fù)合材料的研究很少，但是通過復(fù)合工藝把銅材料和增強(qiáng)相材料間的高韌性和高耐磨性等性能的優(yōu)化組合具有廣闊的應(yīng)用前景。顆粒的尖銳化使得基體內(nèi)的應(yīng)變集中和顆粒尖端斷裂使材料塑性下降和脆化，所以應(yīng)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的韌化。

結(jié)語：

機(jī)械合金化法制備超細(xì)TiC 顆粒及其增強(qiáng)銅基復(fù)合材料是近年才發(fā)展的新型材料，具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)電率、良好的導(dǎo)熱性能，而且其硬度高、耐磨性好，所以可以應(yīng)用在觸頭材料、點(diǎn)焊電極、集成電路引線框架、鑄機(jī)結(jié)晶器材料，現(xiàn)在的制造工藝比較復(fù)雜、性能達(dá)不到要求、生產(chǎn)成本高、加工制造工藝技術(shù)沒有解決，應(yīng)該不斷的提高材料的性能、降低成本、完善工藝，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)成為我國材料工作者的努力方向。

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