放電等離子燒結Cu/Ti3AlC2的電性能及力學性能

王青松 代歷 趙娜 李湘君 代帥 胡博文 彭航 陳艷林

摘 要：以Ti3AlC2和Cu粉作為原料，使用放電等離子燒結制備Cu/Ti3AlC2復合材料，研究了不同燒結溫度對復合材料的影響。結果表明，在750 ～ 800℃之間，Cu與Ti3AlC2之間會發生反應生成TiC相。同時隨著溫度在650 ～ 850℃不斷增加，密度和抗彎強度不斷增加在850℃達到最大值分別為8.33 g·cm-3和531.4 MPa，而電阻率先減小在750℃達到最小值1.98×10-7 Ω·m后增加在850℃達到最大值6.47×10-7 Ω·m。Cu/Ti3AlC2復合材料性能隨著溫度的變化與其致密度和反應生成TiC有著密切的聯系。

關鍵詞：Cu/Ti3AlC2;放電等離子燒結;致密度;導電性;彎曲強度

1 前 言

銅及其合金具有良好的導電及其導熱性能，在導電器件、輸送電力等方面廣泛應用[1-4]，但是銅及其合金本身的強度低、耐摩擦性能差，不耐腐蝕等，大大的限制了其在航空、航天、機械等領域的使用。過去對銅的增強相研究較多的是碳化物[5，6]，但是存在導電性差，易粘結等缺點，無法滿足電子器件對導電和導熱的需求。

近年來，一種兼具陶瓷和金屬性能的三元層狀碳化物Ti3AlC2引起了材料工作者的廣泛關注[7-9]，它具有良好的導電導熱性能，在高溫下具有塑性，能用高速刀具進行加工;有著高彈性模量、低密度、高熱穩定性和良好的抗氧化性能[9-12]。若將Ti3AlC2作為銅的增強相，既可以保持銅本身優良的導電導熱性能，又可以發揮出增強相的協同作用[13-15]。本實驗擬采用放電等離子燒結法制備出Cu/Ti3AlC2復合材料，研究不同燒結溫度對復合材料電性能和機械性能的影響。

2 實 驗

實驗所用的Ti3AlC2均由Ti、Al、TiC粉末經無壓燒結而成，純度為99%以上，雜質主要為TiC，研磨后過200目篩;所用銅粉平均粒徑為58 μm。實驗將20wt.%Ti3AlC2的粉末與80wt.%Cu球磨濕混1 h后混合烘干，然后將混合粉末鋪入 25 mm的石墨模具中，采用放電等離子燒結成型，工藝為：以100℃/min的升溫速率升溫至指定溫度（650℃、700℃、750℃、800℃和850℃五個溫度），壓力為30 MPa，保溫8 min。

燒結后的試樣使用磨床打磨拋光，使用線切割機對試樣進行切割處理。采用XRD（Empyrean，銳影）分析復合材料的相組成，采用SEM（泰思肯，S340C）觀察復合材料的微觀形貌，采用阿基米德法測定復合材料的密度，采用四探針測試儀（雙旭，SB120）測定其電阻率，采用萬能測試儀（Instron，5966）測試復合材料的三點抗彎強度。

3 結果與討論

3.1 不同溫度下制備Cu/Ti3AlC2復合材料的相組成

圖1為Cu與Ti3AlC2粉末在不同溫度下放電等離子燒結所得產物的XRD圖，圖中可以觀測到不同溫度下得到Cu/20%Ti3AlC2復合材料的相組成，從650 ～ 750℃復合材料都由Cu與Ti3AlC2兩相組成，其XRD圖基本相似。而在800 ～850℃復合材料中出現了TiC相且Ti3AlC2相衍射峰從650 ～ 850℃逐漸降低，這說明在750 ～ 850℃ Ti3AlC2相在不斷的消耗同時生成了TiC相，觀察Cu相的衍射峰還能發現，Cu相在850℃的衍射峰對比800℃略向左偏，這是由于Ti3AlC2相中的Al進入Cu晶格形成Cu（Al）固溶體導致Cu晶格膨脹的原因[14-16]。

3.2? 不同溫度下制備Cu/Ti3AlC2復合材料的微觀結構

圖2顯示了Cu與Ti3AlC2粉末在不同溫度下放電等離子燒結所得產物的SEM圖?？梢杂^察到，在650℃溫度下可以清晰的觀察到Ti3AlC2的層狀結構，但與銅基體結合松散，兩者之間存在較明顯的界面與孔隙;隨著溫度逐漸升高至750℃，還是能清晰地看見層狀的Ti3AlC2，Ti3AlC2與Cu之間的界面依然清晰可見，但是此時Cu基體與增強相Ti3AlC2之間結合緊密，呈現出更加致密的結構;而最終當溫度達到850℃時，復合材料的微觀結構依然致密，但發生了較大的變化，此時基本無法分辨Ti3AlC2相與Cu相，根據XRD的分析結果，此時Cu與Ti3AlC2之間的反應大幅發生，部分基體轉變為Cu（Al）固溶體并產生了新的TiC相，這導致了其微觀結構的變化。從SEM圖分析的到的結果與XRD是一致的。

3.3? Cu/Ti3AlC2復合材料密度、導電性能以及力學性能

圖3顯示了在不同溫度下Cu/20%Ti3AlC2復合材料的密度。從圖中可以觀察到，隨著溫度從650 ～ 850℃，復合材料的密度逐漸增加，但從800℃到850℃增加幅度較大。根據阿基米德法得到的實際密度和Cu/20%Ti3AlC2的理論密度（7.34 g·cm-3）相比，在650℃和700℃燒結的復合材料致密度明顯較低，這表明復合材料在該溫度下致密度較差，而當燒結溫度在750℃時，密度為7.31 g·cm-3，此時實際密度與計算得到的理論密度較吻合，這說明隨著溫度的提高，Cu與Ti3AlC2之間結合的更加緊密，孔隙基本消失。而在溫度從800℃升至850℃時，密度值從7.38 g·cm-3升至8.33 g·cm-3，較理論密度也有較大提升，根據XRD及SEM的結論可以推測在800℃時Cu與Ti3AlC2之間反應開始發生，在之后直到850℃范圍內，此反應進一步發生，使得試樣進一步致密化且生成了密度更高的TiC相，使復合材料整體達到更高的密度。

圖4顯示了在不同溫度下Cu/20%Ti3AlC2復合材料的電阻率。由圖可見，從650 ～ 750℃電阻率在逐漸下降，在750℃電阻率達到研究范圍內的最小值1.98×10-7 Ω·m，而在750 ～ 850℃，電阻率逐漸增大，尤其是在750℃升至800℃，電阻率有一個大幅度增加。由XRD及SEM和密度分析的結果推測，電阻率從650 ～ 750℃先減小，是因為燒結前期基體銅與增強相Ti3AlC2之間開始變得致密，復合材料的孔隙變少，界面處結合更緊密，而750 ～ 800℃是由于Cu與Ti3AlC2開始反應生成TiC，這導致復合材料中出現了大量的缺陷，且形成的Cu（Al）固溶體與TiC電阻率分別高于基體Cu和Ti3AlC2使得復合材料整體電阻率提升較大，同時在800 ～ 850℃，Cu與Ti3AlC2的反應進一步發生，電阻率進一步升高，850℃電阻率達到研究范圍內的最高值6.47×10-7 Ω·m。

圖5顯示了在不同溫度下Cu/20%Ti3AlC2復合材料的彎曲強度。圖中可以觀測到，隨著燒結溫度從650 ～ 850℃，抗彎強度提高，從215.4 MPa增加到531.4 MPa。這上述分析的結論是一致的，從650 ～ 750℃，Cu/20%Ti3AlC2復合材料彎曲強度的提高是因為其致密度逐漸增加，材料的孔隙減少且界面處結合更緊密，而從750 ～ 850℃復合材料彎曲強度的提高是因為Cu與Ti3AlC2反應使材料整體的致密度進一步提高且反應生成了抗彎強度優于Cu的Cu（Al）和優于Ti3AlC2的TiC相。

4 結 論

以Cu粉末和自制的Ti3AlC2粉末為原料，以放電等離子燒結法在650 ～ 850℃制備得到了Cu/20%Ti3AlC2復合材料。當燒結溫度在750 ～ 800℃之間時，Cu與Ti3AlC2發生反應生成TiC相。且隨著溫度的提高，材料的密度逐漸提高從6.79 ～ 8.33 g·cm-3，電阻率先降低在750℃達到最小值1.98×10-7 Ω·m最后增加到6.47×10-7 Ω·m，彎曲強度從215.4 ～ 531.4 MPa單調增加。結果表明Cu/20%Ti3AlC2復合材料在750℃致密度達到機械結合的最高值，此時材料的導電性最高而力學性能比較平衡，而在850℃時由于反應的發生結合更加緊密，此時材料的力學性能達到研究范圍內的最高值，而導電性能最差。Ti3AlC2起到了良好的增強作用。

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