Cu-SiC纳米复合材料的制备及其组织性能研究

吴晓滨

（包头轻工职业技术学院，内蒙古 包头014035）

0 前言

铜基复合材料是一种以金属铜为基相，以镶嵌于其中的微粒为增强相的材料。它融合两相的优势性能于一体，因而展现出较优良的综合性能［1］。正鉴于此，铜基复合材料成为近些年复合材料制备领域中的热点主题之一。众多学者从改变增强相的类型、尺度和添加量［2-4］及优化制备工艺条件［5-6］等方面进行了尝试和探索，期望进一步提高铜基复合材料的综合性能，拓宽其潜在的应用空间。

本文从改变增强相的尺度和添加量方面展开研究。采用电沉积工艺实现纳米SiC微粒与基质金属铜离子共沉积，制备Cu-SiC纳米复合材料，并对其组织和性能进行观察和测定。

1 实验

1.1 复合材料的制备

制备基相金属铜的镀液配方为：硫酸铜220 g／L，硫酸45mL／L，硫脲0.5g／L。增强相微粒选用近似呈球形的SiC，其粒径约为50nm。并依次经除杂质、解聚、表面改性、清洗和干燥等环节处理后，再加入镀液中。为确保微粒与基质金属顺畅共沉积，施加适宜工艺条件，具体为：镀液采用机械方式搅拌，温度控制在30℃左右，加载电流密度为6 A／dm2。

1.2 组织性能检测

复合材料的形貌组织用工具显微镜和扫描电镜观察。复合材料的显微硬度用显微硬度计测定，分别测定中心和边缘四处方位，结果取平均值。

2 结果与讨论

2.1 复合材料的形貌组织

图1为SiC 15g／L时制备的Cu-SiC纳米复合材料的形貌组织。图2为制备的纯铜材料的形貌组织。由图1可知：复合材料表面较平整，晶簇较小且形状较规整、排列较匀称。尽管可见一定程度的晶间缝隙，但与纯铜材料相比，Cu-SiC纳米复合材料的表面平整性和结构致密性均明显改善。由此可见，纳米SiC微粒在与基质金属铜离子共沉积的过程中发挥了细化基相晶粒、弥散强化组织、密实复合材料结构的作用。

图1 SiC 15g／L时制备的Cu-SiC纳米复合材料的形貌组织

图2 制备的纯铜材料的形貌组织

然而，进一步研究发现：纳米微粒的添加量对Cu-SiC纳米复合材料的形貌组织有一定影响。换言之，镀液中纳米微粒的质量浓度并非越高越有利。图3为SiC 35g／L时制备的Cu-SiC纳米复合材料的形貌组织。由图3可知：在SiC 35g／L的条件下制备的复合材料，其表面粗糙、晶粒粗化且夹杂微粒团。分析认为，镀液中纳米微粒的质量浓度过高，导致相互间碰撞的概率增大，加之纳米微粒固有的高表面能特性彰显，致使集合团聚，并以团聚体形态参与共沉积。故此，Cu-SiC纳米复合材料中夹杂微粒团。而微粒团无法发挥等效于单态纳米微粒的细化晶粒作用［7］，这正是导致复合材料形貌粗糙、组织弱化的主要原因。

图3 SiC 35g／L时制备的Cu-SiC纳米复合材料的形貌组织

2.2 复合材料的显微硬度

表1为复合材料与纯铜材料的显微硬度对比。由表1可知：Cu-SiC纳米复合材料的显微硬度均高于纯铜材料的。尤其是在SiC 15g／L条件下制备的Cu-SiC纳米复合材料，其显微硬度更是高达1 158MPa，约为纯铜材料的1.4倍。对于复合材料，因其中牢固嵌合夹杂的微粒，会导致结晶晶粒的转移扩散运动阻力增大，阻碍晶粒的位错滑移，相当于形成弥散强化效应，故宏观层面表现为显微硬度较高。另外，根据文献［8］的研究结论：复合材料的显微硬度受其中纳米微粒的质量分数和纳米微粒分散状况的制约。复合材料中纳米微粒的掺杂量越大，且纳米微粒分散越趋于均匀，显微硬度自然越高。结合上文分析，在纳米SiC微粒的添加量适中的情况下，经共沉积过程进入复合材料中的纳米微粒相对较多且分散较为均匀，能够发挥较明显的位错强化和弥散强化作用，故制备的复合材料的显微硬度相对较高。而在微粒添加量过高的情况下，因相互间接触碰撞的频率增高，加之静电吸引作用，造成纳米SiC微粒不可避免地团聚形成较大尺度（乃至微米级尺度）的微粒团。由于大尺度微粒团在共沉积中难以有效发挥细化结晶晶粒和密实组织结构的作用，从而导致制备的复合材料的显微硬度偏低。

表1 复合材料与纯铜材料的显微硬度对比

3 结论

采用电沉积工艺实现纳米SiC微粒与基质金属铜离子共沉积，制备出Cu-SiC纳米复合材料。借助工具显微镜、扫描电镜和显微硬度计对复合材料的形貌组织和显微硬度进行了观察和测定，并分别与纯铜材料的作比较。得出结论：（1）相比于纯铜材料，Cu-SiC纳米复合材料的表面较平整，组织较匀致，且显微硬度有所提高；（2）纳米SiC微粒的添加量对Cu-SiC纳米复合材料的形貌组织和显微硬度均有较明显的影响，在SiC 15g／L的条件下制备的复合材料形貌最为平整，组织最为紧致，显微硬度最高。

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