陶瓷增强铜-石墨复合材料的微观摩擦力学与热氧化特性的实验分析

《ACS Omega》：Experimental Analysis of Micro-Tribomechanical and Thermal Oxidation Properties of Ceramic-Reinforced Copper-Graphite Composites

铜基复合材料摩擦磨损与抗氧化性能研究。采用粉末冶金法制备含不同比例SiC和石墨的复合材料，发现15% SiC和2%石墨的样品硬度提升22%，耐磨性提高12倍，但石墨降低了抗氧化性，高温下纯SiC更优。

　　本研究通过粉末冶金方法合成了一种以石墨和碳化硅（SiC）为增强相的铜基复合材料，并对其微观结构、机械性能、摩擦学性能以及热物理性能进行了系统分析。实验结果表明，这些复合材料具有较高的相对密度（超过90%），且增强相在铜基体中均匀分布，没有形成中间化合物。此外，石墨和SiC之间形成了良好的界面结合，从而显著提升了复合材料的硬度、弹性模量和耐磨性。研究还探讨了不同增强相浓度对摩擦学和氧化性能的影响，特别是在高温环境下的表现。

铜是一种在工程应用中具有广泛应用的金属，以其高导电性、导热性和抗腐蚀性而著称。然而，其低耐磨性限制了其在某些高磨损环境中的应用。因此，通过添加陶瓷增强相来改善铜的性能成为一种重要策略。SiC和石墨作为常见的陶瓷增强材料，因其高硬度、良好热稳定性以及相对较低的成本和广泛的可获得性而被选为研究对象。在粉末冶金工艺中，通过混合、压制和烧结等步骤，可以有效地将这些增强相均匀地分散在铜基体中，从而获得具有优异性能的复合材料。

在实验过程中，铜粉（粒径为44微米）与SiC（粒径为5微米）和石墨（粒径为44微米）按照特定比例进行混合。混合后的粉末经过行星式球磨机（Retsch PM 400）在250转/分钟的转速下进行12小时的均质处理，以确保增强相的均匀分布。随后，将均质后的粉末压制成直径为1厘米的压坯，并在冷等静压（MSE-CIP）下施加200兆帕的压力，以进一步提高致密化程度。最终，将压坯置于氧化铝坩埚中，在管式炉（Protherm）内以氩气氛围下进行900摄氏度的烧结，持续时间为2小时。

实验结果显示，铜基复合材料的相对密度在90.9%至93.5%之间，随着增强相含量的增加，密度有所下降，这可能是由于陶瓷颗粒的密度较低。SiC和石墨在铜基体中呈现出均匀的分布，且在烧结过程中未形成中间化合物。通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）的分析，证实了增强相的成分分布和均匀性。此外，X射线衍射（XRD）分析表明，复合材料的主要相为铜，而SiC和石墨的特征峰则较为微弱，这可能是由于石墨含量较低。

在硬度方面，添加15% SiC和2%石墨的复合材料（S-7）表现出最高的微观硬度，约为纯铜的1.2倍。总体而言，所有复合材料的硬度均比纯铜提高了1.1至1.4倍。弹性模量方面，纯铜的弹性模量为110 GPa，而添加SiC后，弹性模量显著提高，达到1.11至1.40倍。相比之下，添加石墨的样品弹性模量略有下降，这可能是由于石墨的弹性模量较低。然而，石墨的加入在一定程度上改善了复合材料的摩擦学性能，降低了摩擦系数。

在摩擦学性能方面，实验采用CSM摩擦仪对样品进行了测试，测试距离为100毫米，旋转速度为196转/分钟（对应线速度约为3厘米/秒），并施加了5牛的磨损载荷。结果显示，添加SiC的样品（S-2、S-3、S-4）的耐磨性显著提高，特别是S-4样品的耐磨性提升了12倍。而添加石墨的样品（S-1）的耐磨性相对较低，但在一定程度上降低了摩擦系数。当SiC和石墨共同添加时，样品的耐磨性和摩擦学性能均得到显著改善，这可能是由于两者协同作用的结果。例如，S-5、S-6和S-7样品的耐磨性分别提高了3.65至6.75倍，而摩擦系数则降低了2.4至2.9倍。

在氧化性能方面，实验采用热重分析仪（Model No. NETZSCH DIL 402C）对样品进行了测试，测试温度为600摄氏度，升温速率为10摄氏度/分钟。结果显示，纯铜（S-0）的氧化率较高，约为2.39%。而添加15% SiC的样品（S-4）的氧化率显著降低，约为纯铜的30倍。添加2%石墨的样品（S-1）的氧化率也有所降低，但效果不如纯SiC。当SiC和石墨共同添加时，样品的氧化率与纯SiC样品相似，但其热稳定性较低。这表明，虽然石墨的加入在一定程度上改善了摩擦学性能，但在高温环境下对氧化性能的影响较为负面。

实验还发现，当SiC和石墨共同添加时，样品的摩擦系数显著降低，这可能是由于石墨在摩擦过程中形成了润滑层，减少了金属与金属之间的直接接触。然而，这种润滑效果在一定程度上也降低了样品的耐磨性，这需要在实际应用中进行权衡。例如，S-7样品在高滑动速度和载荷下表现出优异的摩擦学性能，但其耐磨性略低于仅含15% SiC的样品（S-4）。

在热稳定性方面，样品的性能随温度变化而有所不同。在低于300摄氏度的温度下，SiC和石墨共同添加的样品表现出更好的性能，而在高于300摄氏度的温度下，仅含SiC的样品（S-4）表现出更优的摩擦学性能。这表明，不同增强相的组合对材料在不同温度下的性能有显著影响。例如，当样品在高温下使用时，仅含SiC的增强相可能更有利于维持其结构稳定性和摩擦学性能。

综上所述，本研究通过粉末冶金方法合成的铜基复合材料在微观结构、机械性能、摩擦学性能和热物理性能方面均表现出优异的特性。SiC和石墨的添加显著提高了材料的硬度和弹性模量，同时改善了耐磨性和摩擦系数。然而，石墨的加入在一定程度上降低了氧化性能，这需要在实际应用中考虑。研究结果为铜基复合材料的优化设计提供了重要依据，特别是在高温和高磨损环境下的应用。通过调整增强相的种类和含量，可以实现材料性能的平衡，从而满足不同工程应用的需求。