粉末室霍静层状三元陶瓷增强金属铜复合材料的研究

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1、课题编号：中国钢研科技集团有限公司科技基金课题立项申请书课题名称：层状三元陶瓷增强金属铜复合材料的研究与应用承担单位：粉末冶金研究室课题申请人（负责人）：霍静申请课题起止年限：2011年7月—2013年6月中国钢研科技集团有限公司2011年4月28日-9-一、立项背景分析及申请立项的理由金属铜具有优异的导电、导热、耐腐蚀、易延展等性能，因此被广泛应用在电力电子、机械制造等领域。但金属铜的强度、硬度较低，耐热性和耐磨性差，限制了它的使用条件和寿命。一般来讲，传统铜合金的强度和导电性是一对矛盾，提高强度将导致导电性的下降。为了能在不过多牺牲导电性和导热性的前提下改善

2、铜的力学性能，一般铜的强化有两种思路：一是固溶强化，但是由于在高温下金属将发生再结晶、第二相粗化和溶解，因此像加工硬化、析出硬化等常规方法均难以奏效，固溶强化又会大大降低材料的导电率；二是引入第二相进行强化，形成铜基复合材料，其设计原理是根据材料性能的要求，选用适当的增强相(一种或多种)，在保持铜基体高导电性的同时，充分发挥强化相的增强作用及二者的协同作用，使得材料的导电性与基体强度达到良好的匹配。具有层状结构的三元陶瓷是一种结构功能合一的新型材料，这类化合物可以用统一的分子式Mn+1AXn来表示，这里M一般为过渡元素，A为Ⅲ，Ⅳ主族中的某些元素，X为C或N，n

3、=1，2，3。根据n的不同取值，习惯上又将n=1、2或3的Mn+lAXn相化合物分别称之为211相、312相或413相。紧密堆积的所有Mn+1AXn相化合物都具有层状的晶体结构，属六方晶系，空间群为D46h-P63/mmc。从图1中可以看到，紧密堆积的过渡金属八面体层被一平面层A族原子所分隔，过渡金属八面体中心为碳原子或氮原子。其不同之处在于，n=1时每三层中有一层A族原子，n=2时每四层中有一层A族原子，共棱的过渡金属八面体层M6-9-X被平层的A族原子所分离，而n=3时每五层中才有一层A族原子。在它们的结构中，过渡金属原子与碳或氮原子图1Mn+1AXn相结构

4、简图图2已知的Mn+1AXn相化合物-9-之间的结合为强共价键，而过渡金属原子与A族平面之间为弱结合，类似于层状石墨，层间为范德华力结合。由于它们的原子结合方式既有共价键、离子键又有金属键，因而兼有金属和陶瓷的性质，如类似金属的导热、导电性、抗热震性和可加工性，类似陶瓷的抗氧化性、耐腐蚀性和耐高温性；特别地，具有非同寻常的耐磨性和自润滑性。因此，在许多领域具有重要的应用价值。将Mn+1AXn作为陶瓷增强相加入金属中同样具有很大的优势，这也为进一步扩大Mn+1AXn相层状三元陶瓷的应用范围提供了方向。铜及其合金作为最优良的导电导热材料之一，因强度、耐磨性等机械性能

5、与其导电导热性难以兼顾的矛盾，极大地限制了其在许多高技术领域的应用。因此，将Mn+1AXn相层状三元陶瓷与金属铜结合起来，制备的层状三元陶瓷增强金属铜复合材料可望具备高强度、高导电性和高导热性，同时还可能具有良好的抗电弧侵蚀、抗冲击性和抗磨损能力，可用于制造高性能的轴瓦、轴承套、触头材料、抗穿甲防护外壳以及高速列车受电弓滑板等构件。因此，开发层状结构三元陶瓷增强铜复合材料，具有广阔的应用前景，经济和社会效益显著。目前，Mn+1AXn相层状三元陶瓷材料及其复合材料已有一定的基础研究。北京交通大学翟洪祥等进行了高速列车受电弓滑板用Ti3SiC2系材料的制备及性能研究

6、以及铜/钛铝碳复合材料的研究；吉林大学贾树胜等进行了Ti3AlC2可加工导电陶瓷及其铜基复合材料的研制。但是，目前该类材料研究不能很好地解决陶瓷增强相在金属铜中的弥散分布问题，从而影响了材料的性能，限制了其应用。钢铁研究总院在粉末冶金及材料复合工艺方面积累了丰富的经验，设备齐全。通过预研工作，已经掌握了Mn+1AXn相层状三元陶瓷材料的合成及纯化技术，并且熟悉弥散强化工艺，因此，通过对本课题的研究，可加快层状三元陶瓷增强金属铜复合材料的开发速度。一、课题总体目标层状三元陶瓷增强金属铜复合材料可望具备-9-高强度、高导电性、高导热性及其高抗电弧侵蚀、抗冲击性和抗磨

7、损能力，同时还可能具有良好的自润滑性和可加工性，因此具有广泛的应用前景。本项目拟采用层状三元陶瓷的纯化技术、陶瓷增强相在金属铜中的弥散分布研究、不同复配比例的复合工艺研究、制备工艺参数优化以及后处理等技术方案，研制出具有较高强度、导电性、导热性、耐磨性和自润滑性能的新型复合材料，并开发其在高温自润滑轴承、触头材料及高速列车受电弓滑板上的应用。一、课题主要研究内容、技术路线及创新性1、Mn+1AXn相三元陶瓷粉体材料的纯化技术；高纯度Mn+1AXn相陶瓷粉体材料是制备层状三元陶瓷增强金属铜复合材料的物质基础，本课题拟研究Cr2AlC、Ti3AlC2、Ti3SiC2

8、等层状三元陶瓷粉体的纯化