ZrB2-Cu复合材料的制备工艺及性能研究

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电火花加工用传统工具电极损耗严重,ZrB2-Cu复合材料具有优良的导电导热性能、较高的硬度和强度,适合作为新型电极材料,以降低工具损耗,节省成本。本文利用热压烧结工艺制备了ZrB2-Cu、ZrB2(Ni)-Cu和SiC/ZrB2(Ni)-Cu复合材料。观察分析材料的物相组成和微观形貌;并对材料的力学性能、电学性能、热学性能以及摩擦磨损性能进行了表征和分析。研究结果表明:(1)以ZrB2和Cu为原料,热压烧结制备了ZrB2-Cu复合材料。烧结温度分别为850oC、900oC和950oC,压力为20MPa,保温时间为5min,升温速率为90oC/min,真空条件。随着烧结温度的升高,ZrB2-Cu复合材料的相对密度升高,硬度和弯曲强度先增大后减小;随着铜含量的增加,ZrB2-Cu复合材料的相对密度和弯曲强度增加,而硬度降低。烧结温度为900oC制备的含60vol.%Cu的ZrB2-Cu复合材料的硬度最大,其值为3.7GPa;含70vol.%Cu的ZrB2-Cu复合材料的弯曲强度最大,其值为258MPa。(2)以化学镀镍后的ZrB2和Cu为原料,热压烧结制备ZrB2(Ni)-Cu复合材料。烧结温度分别为850oC、900oC和950oC,压力为20MPa,保温时间为5min,升温速率为90oC/min,真空条件。烧结温度为900oC制备的含50vol.%Cu的ZrB2(Ni)-Cu复合材料的硬度最大,其值为4.4GPa;含70vol.%Cu的ZrB2(Ni)-Cu复合材料的弯曲强度最大,其值为375MPa。复合材料的热导率随着烧结温度及铜含量的增加而增加,烧结温度为950oC制备的含60vol.%Cu的ZrB2(Ni)-Cu复合材料的热导率最大,其值为191.71W/(m·K)。复合材料的电阻率随着烧结温度的升高和铜含量的增加而降低,烧结温度为900oC制备的含70vol.%Cu的ZrB2(Ni)-Cu复合材料的电阻率最小,其值为3.1μ·cm。(3)在ZrB2(Ni)-60Cu材料体系中加入SiC,在900oC、20MPa、保温5min、90oC/min的升温速率、真空条件下热压烧结制备出SiC/ZrB2(Ni)-Cu复合材料。加入SiC后,复合材料的热导率显著增加。当添加10vol.%粒度为2μm的SiC时,SiC/ZrB2(Ni)-Cu复合材料的热导率达到最大,其值为221.71W/(m·K)。材料的电阻率随SiC含量的增加而增加。当添加5vol.%SiC时,SiC/ZrB2(Ni)-Cu复合材料的电阻率最小,其值为11μ·cm。(4)ZrB2-Cu复合材料的抗磨损性能优越。ZrB2经化学镀镍后,与Cu复合得到的SiC/ZrB2(Ni)-Cu复合材料的抗磨性能有明显提高。ZrB2-Cu复合材料表现为粘着磨损,存在层状剥落。ZrB2与Cu之间界面结合较差,磨损过程中,ZrB2-60Cu样品易在界面结合处出现裂纹,被剥落。ZrB2经化学镀镍后,与Cu之间界面结合良好,ZrB2(Ni)-60Cu材料抗磨损性能明显提高。
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