放电等离子烧结Cu/Ti3AlC2的电性能及力学性能

王青松 代历 赵娜 李湘君 代帅 胡博文 彭航 陈艳林

摘 要：以Ti3AlC2和Cu粉作为原料，使用放电等离子烧结制备Cu/Ti3AlC2复合材料，研究了不同烧结温度对复合材料的影响。结果表明，在750 ～ 800℃之间，Cu与Ti3AlC2之间会发生反应生成TiC相。同时随着温度在650 ～ 850℃不断增加，密度和抗弯强度不断增加在850℃达到最大值分别为8.33 g·cm-3和531.4 MPa，而电阻率先减小在750℃达到最小值1.98×10-7 Ω·m后增加在850℃达到最大值6.47×10-7 Ω·m。Cu/Ti3AlC2复合材料性能随着温度的变化与其致密度和反应生成TiC有着密切的联系。

关键词：Cu/Ti3AlC2;放电等离子烧结;致密度;导电性;弯曲强度

1 前 言

铜及其合金具有良好的导电及其导热性能，在导电器件、输送电力等方面广泛应用[1-4]，但是铜及其合金本身的强度低、耐摩擦性能差，不耐腐蚀等，大大的限制了其在航空、航天、机械等领域的使用。过去对铜的增强相研究较多的是碳化物[5，6]，但是存在导电性差，易粘结等缺点，无法满足电子器件对导电和导热的需求。

近年来，一种兼具陶瓷和金属性能的三元层状碳化物Ti3AlC2引起了材料工作者的广泛关注[7-9]，它具有良好的导电导热性能，在高温下具有塑性，能用高速刀具进行加工;有着高弹性模量、低密度、高热稳定性和良好的抗氧化性能[9-12]。若将Ti3AlC2作为铜的增强相，既可以保持铜本身优良的导电导热性能，又可以发挥出增强相的协同作用[13-15]。本实验拟采用放电等离子烧结法制备出Cu/Ti3AlC2复合材料，研究不同烧结温度对复合材料电性能和机械性能的影响。

2 实 验

实验所用的Ti3AlC2均由Ti、Al、TiC粉末经无压烧结而成，纯度为99%以上，杂质主要为TiC，研磨后过200目筛;所用铜粉平均粒径为58 μm。实验将20wt.%Ti3AlC2的粉末与80wt.%Cu球磨湿混1 h后混合烘干，然后将混合粉末铺入 25 mm的石墨模具中，采用放电等离子烧结成型，工艺为：以100℃/min的升温速率升温至指定温度（650℃、700℃、750℃、800℃和850℃五个温度），压力为30 MPa，保温8 min。

烧结后的试样使用磨床打磨抛光，使用线切割机对试样进行切割处理。采用XRD（Empyrean，锐影）分析复合材料的相组成，采用SEM（泰思肯，S340C）观察复合材料的微观形貌，采用阿基米德法测定复合材料的密度，采用四探针测试仪（双旭，SB120）测定其电阻率，采用万能测试仪（Instron，5966）测试复合材料的三点抗弯强度。

3 结果与讨论

3.1 不同温度下制备Cu/Ti3AlC2复合材料的相组成

图1为Cu与Ti3AlC2粉末在不同温度下放电等离子烧结所得产物的XRD图，图中可以观测到不同温度下得到Cu/20%Ti3AlC2复合材料的相组成，从650 ～ 750℃复合材料都由Cu与Ti3AlC2两相组成，其XRD图基本相似。而在800 ～850℃复合材料中出现了TiC相且Ti3AlC2相衍射峰从650 ～ 850℃逐渐降低，这说明在750 ～ 850℃ Ti3AlC2相在不断的消耗同时生成了TiC相，观察Cu相的衍射峰还能发现，Cu相在850℃的衍射峰对比800℃略向左偏，这是由于Ti3AlC2相中的Al进入Cu晶格形成Cu（Al）固溶体导致Cu晶格膨胀的原因[14-16]。

3.2  不同温度下制备Cu/Ti3AlC2复合材料的微观结构

图2显示了Cu与Ti3AlC2粉末在不同温度下放电等离子烧结所得产物的SEM图。可以观察到，在650℃温度下可以清晰的观察到Ti3AlC2的层状结构，但与铜基体结合松散，两者之间存在较明显的界面与孔隙;随着温度逐渐升高至750℃，还是能清晰地看见层状的Ti3AlC2，Ti3AlC2与Cu之间的界面依然清晰可见，但是此时Cu基体与增强相Ti3AlC2之间结合紧密，呈现出更加致密的结构;而最终当温度达到850℃时，复合材料的微观结构依然致密，但发生了较大的变化，此时基本无法分辨Ti3AlC2相与Cu相，根据XRD的分析结果，此时Cu与Ti3AlC2之间的反应大幅发生，部分基体转变为Cu（Al）固溶体并产生了新的TiC相，这导致了其微观结构的变化。从SEM图分析的到的结果与XRD是一致的。

3.3  Cu/Ti3AlC2复合材料密度、导电性能以及力学性能

图3显示了在不同温度下Cu/20%Ti3AlC2复合材料的密度。从图中可以观察到，随着温度从650 ～ 850℃，复合材料的密度逐渐增加，但从800℃到850℃增加幅度较大。根据阿基米德法得到的实际密度和Cu/20%Ti3AlC2的理论密度（7.34 g·cm-3）相比，在650℃和700℃烧结的复合材料致密度明显较低，这表明复合材料在该温度下致密度较差，而当烧结温度在750℃时，密度为7.31 g·cm-3，此时实际密度与计算得到的理论密度较吻合，这说明随着温度的提高，Cu与Ti3AlC2之间结合的更加紧密，孔隙基本消失。而在温度从800℃升至850℃时，密度值从7.38 g·cm-3升至8.33 g·cm-3，较理论密度也有较大提升，根据XRD及SEM的结论可以推测在800℃时Cu与Ti3AlC2之间反应开始发生，在之后直到850℃范围内，此反应进一步发生，使得试样进一步致密化且生成了密度更高的TiC相，使复合材料整体达到更高的密度。

图4显示了在不同温度下Cu/20%Ti3AlC2复合材料的电阻率。由图可见，从650 ～ 750℃电阻率在逐渐下降，在750℃电阻率达到研究范围内的最小值1.98×10-7 Ω·m，而在750 ～ 850℃，电阻率逐渐增大，尤其是在750℃升至800℃，电阻率有一个大幅度增加。由XRD及SEM和密度分析的结果推测，電阻率从650 ～ 750℃先减小，是因为烧结前期基体铜与增强相Ti3AlC2之间开始变得致密，复合材料的孔隙变少，界面处结合更紧密，而750 ～ 800℃是由于Cu与Ti3AlC2开始反应生成TiC，这导致复合材料中出现了大量的缺陷，且形成的Cu（Al）固溶体与TiC电阻率分别高于基体Cu和Ti3AlC2使得复合材料整体电阻率提升较大，同时在800 ～ 850℃，Cu与Ti3AlC2的反应进一步发生，电阻率进一步升高，850℃电阻率达到研究范围内的最高值6.47×10-7 Ω·m。

圖5显示了在不同温度下Cu/20%Ti3AlC2复合材料的弯曲强度。图中可以观测到，随着烧结温度从650 ～ 850℃，抗弯强度提高，从215.4 MPa增加到531.4 MPa。这上述分析的结论是一致的，从650 ～ 750℃，Cu/20%Ti3AlC2复合材料弯曲强度的提高是因为其致密度逐渐增加，材料的孔隙减少且界面处结合更紧密，而从750 ～ 850℃复合材料弯曲强度的提高是因为Cu与Ti3AlC2反应使材料整体的致密度进一步提高且反应生成了抗弯强度优于Cu的Cu（Al）和优于Ti3AlC2的TiC相。

4 结 论

以Cu粉末和自制的Ti3AlC2粉末为原料，以放电等离子烧结法在650 ～ 850℃制备得到了Cu/20%Ti3AlC2复合材料。当烧结温度在750 ～ 800℃之间时，Cu与Ti3AlC2发生反应生成TiC相。且随着温度的提高，材料的密度逐渐提高从6.79 ～ 8.33 g·cm-3，电阻率先降低在750℃达到最小值1.98×10-7 Ω·m最后增加到6.47×10-7 Ω·m，弯曲强度从215.4 ～ 531.4 MPa单调增加。结果表明Cu/20%Ti3AlC2复合材料在750℃致密度达到机械结合的最高值，此时材料的导电性最高而力学性能比较平衡，而在850℃时由于反应的发生结合更加紧密，此时材料的力学性能达到研究范围内的最高值，而导电性能最差。Ti3AlC2起到了良好的增强作用。

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