【摘 要】
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随着轨道交通、电力能源、电子信息等国家重点领域的快速发展,服役条件愈加苛刻,不仅要求铜基复合材料具有高强高导,而且具有较好的抗电弧侵蚀性能和摩擦磨损性能。现阶段常用的颗粒增强铜基复合材料越来越难以满足材料服役环境要求。通过混杂方式将颗粒和晶须两种增强相同时引入到铜基体中,利用增强相之间的物理特征参量和空间分布配置,发挥混杂增强相各自优势,是获得良好综合服役性能的有效途径。本研究针对铜基复合材料典型
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随着轨道交通、电力能源、电子信息等国家重点领域的快速发展,服役条件愈加苛刻,不仅要求铜基复合材料具有高强高导,而且具有较好的抗电弧侵蚀性能和摩擦磨损性能。现阶段常用的颗粒增强铜基复合材料越来越难以满足材料服役环境要求。通过混杂方式将颗粒和晶须两种增强相同时引入到铜基体中,利用增强相之间的物理特征参量和空间分布配置,发挥混杂增强相各自优势,是获得良好综合服役性能的有效途径。本研究针对铜基复合材料典型的载流摩擦磨损服役环境,设计并制备了具不同混杂比例的(CNTs-TiB2)/Cu复合材料。通过场发射扫描电镜(FESEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)等表征了(CNTs-TiB2)/Cu复合材料的微观组织和物相组成,并测试铜基复合材料的力学、抗电弧侵蚀及载流摩擦磨损特性,重点研究了混杂比例对混杂增强铜基复合材料抗拉强度、抗电弧侵蚀性能和载流摩擦磨损性能的影响规律。研究结果表明:(1)通过粉末冶金法制备的不同混杂比例的(CNTs-TiB2)/Cu复合材料,CNTs在铜基体中形成平行于挤压方向的网状结构;而微米级TiB2颗粒有利于细化晶粒,提高了CNTs/Cu界面数量。通过CNTs化学镀铜处理,可改善CNTs/Cu界面润湿性,提高CNTs/Cu界面结合,同时有利于CNTs在铜基体中的均匀分散。在CNTs周围的铜基体中存在着大量位错,有力地证明CNTs与Cu基体之间形成了良好的界面结合。(2)当CNTs:TiB2混杂比例为1:4时,(CNTs-TiB2)/Cu复合材料强度达到最高375 MPa,延伸率达到57.2%。实验和理论计算分析表明:热错配强化和载荷传递是铜基复合材料强度提高的主要原因;其协同增强作用在于TiB2颗粒能够显著地分散CNTs,增加了CNTs/Cu界面数量,显著提高了CNTs在(CNTs-TiB2)/Cu复合材料中的强度贡献和增强效率。(3)相比单一TiB2颗粒增强铜基复合材料,(CNTs-TiB2)/Cu复合材料抗电弧侵蚀性能明显提高,其中(1CNTs-4TiB2)/Cu复合材料电弧能量降低83%,燃弧能量和燃弧时间几乎无波动,熔焊力相对减弱。通过理论计算和实验验证表明:熔焊力与电弧能量和抗拉强度的关系密切相关,其中燃弧能量是熔焊力的主导因素。连续CNTs网络结构可有效分散阴极电弧,促进电弧运动,增加铜基复合材料的逸出功,抑制电子的发射,降低总的发射电流密度。同时,CNTs容易漂浮在熔池表面,减弱液态铜金属飞溅。(4)载流摩擦磨损实验研究表明;当CNTs:TiB2混杂比例为1:4时,铜基复合材料具有最低的磨损率和摩擦系数。在载流摩擦磨损过程中,CNTs具有自润滑作用,显著降低了(CNTs-TiB2)/Cu复合材料摩擦系数。混杂的TiB2颗粒起到耐磨作用,降低了磨损率;CNTs在复合材料横截面形成了网状结构,网状结构能够起到分散电弧作用,降低了载流摩擦磨损过程中电弧侵蚀和电弧氧化。
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