Al2O3与Cu基复合材料的组织与性能

学校代码： 10128 学 号： 201120411063

本科毕业论文

（

题 目：Al2O3/Cu基复合材料的组织与性能 学生姓名：

学 院：材料科学与工程 系 别：材料与冶金工程 专 业：冶金工程 班 级：

指导教师： 教授

二 〇 一 五 年 六 月

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摘要

本次实验主要就复合材料的基本介绍引出Al2O3 /Cu基复合材料，通过用铝粉，氧化铜及其铜粉混合压快，并和铜基体在熔融状态下发生原位反应制备得到Al2O3 /Cu基复合材料的方法，再经过浇铸成型，切取试样粗磨，精抛后观察其金相组织，再测量它的硬度及其摩擦磨损量，并由此实验分析了Al2O3对铜基复合材料组织与性能的影响。本实验的目的是为了探究Al2O3颗粒对铜基复合材料组织与性能的影响。通过实验下列基本结论：三氧化二铝的含量不同铜基复合材料的显微结构组织也不同，在一定条件下能够提高铜基复合材料的硬度；三氧化二铝的含量不同铜基复合材料的摩擦摸损量也不同，添加三氧化二铝能够提高铜基复合材料的抗磨损能力；当前在铜基复合材料制备工艺方面存在着诸多问题，怎样得到成本低，经济，也能够满足规模化生产的铜基复合材料的制备工艺已是当前研究的主导方向，也是未来努力简化生产工艺，降低生产成本，得到满足市场需求的优异性能的铜基复合材料是我们的方向。

从本次实验过程中学到了很多东西，学会了各种实验仪器的操作，懂得了整个原理，领悟到在完成整个实验过程中的严谨，细心的做事态度，为日后的工作，社会生活积累了宝贵的实践经验。

关键词：铜基复合材料；组织；硬度；摩擦磨损

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Abstract

This experiment mainly drawn Al2O3 / Cu matrix composites on a basic introduction

to composites by aluminum powder, copper oxide and copper mixed press fast, and in situ Cu substrate reaction occurs in a molten state prepared Al2O3 / Cu matrix composite method, through casted, coarsely cut the sample to observe its microstructure after fine polishing, and then measure its hardness and the amount of friction and wear, and thus experimental analysis of Al2O3 on Copper Matrix Composites organization and affect performance. The purpose of this study was to explore the impact of Al2O3 particles on the copper matrix composite microstructure and properties. Through experiments the following basic conclusion: different tissue microstructure of aluminum oxide content in copper matrix composites are also different, under certain conditions, to improve the hardness of the copper matrix composites; different aluminum oxide content of Copper Matrix Composites friction loss in different touch, add aluminum oxide can improve the wear resistance of copper-based composites; currently in copper-based composite materials preparation process there are many problems, how to get low cost, economy, but also to meet the large-scale production Preparation of the copper matrix composites are currently leading research direction, but also the future of efforts to streamline the production process, reduce production costs and get superior performance to meet the market demand for copper-based composites is our direction.

From this experiment learned a lot, learned a variety of experimental operation of the

instrument, to understand the whole principle, we realized in the course of the experiment complete rigorous, careful work attitude, for future work, social life and has accumulated valuable practical experience.

Keyword：Copper Matrix Composites ；Organization ； Hardness; friction and wear

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目录

引言 ...................................................................................................................................... 5 第一章 Cu基复合材料发展 ............................................................................................ 6

1.1 复合材料 .............................................................................................................. 6

1.1.1 复合材料定义及性质 ................................................................................ 7 1.1.2 复合材料基本分类 .................................................................................... 7 1.2 铜基复合材料 ...................................................................................................... 7

1.2.1 铜基复合材料的性能及应用 ................................................................ 10 1.2.2 铜基复合材料的分类及制备方法 ........................................................ 10 1.2.3 铜基复合材料的未来发展 ..................................................................... 11 1.2.4 Al2O3 /Cu基复合材料 ........................................................................... 12 1.3 本实验研究的目的和意义 ................................................................................ 14 第二章 Al2O3/Cu基复合材料的制备及其实验过程 .................................................... 16

2.1 Al2O3/Cu基复合材料的制备原理 .................................................................... 16 2.2 Al2O3 /Cu基复合材料的各试样的制备过程 ................................................... 16 2.3 Al2O3 /Cu基复合材料的制备工艺流程 ........................................................... 17 2.4 Al2O3 /Cu基复合材料的制备所用到的仪器设备 ........................................... 18 2.5 Al2O3 /Cu基复合材料观察的金相显微组织 ................................................... 18 2.6 Al2O3 /Cu基复合材料试样硬度的测定 ........................................................... 19 2.7 Al2O3 /Cu基复合材料试样摩擦磨损的测定 ................................................... 19 第三章 Al2O3 /Cu基复合材料的实验结果分析 ........................................................... 20

3.1 Al2O3 /Cu基复合材料的金相组织分析 ........................................................... 20 3.2 Al2O3 /Cu基复合材料的硬度分析 ................................................................... 22 3.3 Al2O3 /Cu基复合材料的摩擦磨损分析 ........................................................... 24 3.4 Al2O3 /Cu基复合材料的实验的结论 ............................................................... 25 结论 .................................................................................................................................... 26 参考文献 ............................................................................................................................ 27 谢辞 .................................................................................................................................... 29

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引言

本文从介绍材料的发展历史开始，然后从复合材料的性质性能出发，介绍了世界各国的复合材料的发展情况，侧重从我国复合材料的的发展研究。最后主要以铜基中夹杂三氧化二铝颗粒的复合材料的实验制备，然后观察其金相显微组织，再测量它的硬度摩擦磨损量，通过实验观察其金相显微组织，测量它的硬度和摩擦磨损量，进而分析Al2O3 /Cu基复合材料的组织与性能，探索了Al2O3颗粒对铜基复合材料影响，最后得到实验结论，三氧化二铝的含量影响铜基复合材料的组织与性能，在一定的三氧化二铝含量范围内，三氧化二铝能够增强铜基复合材料的组织和性能，能够提高它的硬度，增强导电导热率，同时也能提高铜基复合材料的硬度，增强它的抗磨损能力。

从实验研究的基础开始，最后研究了目前有待研究解决的问题，还有未来发展方向。当前在铜基复合材料制备工艺方面存在着诸多问题，怎样得到成本低，经济，也能够满足规模化生产的铜基复合材料的制备工艺已是当前研究的主导方向。也是未来努力简化生产工艺，降低生产成本，得到满足市场需求的优异性能的铜基复合材料是我们的方向

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第一章 Cu基复合材料的发展

1.1 复合材料的简介

材料经过几个世纪的研究和发展，已经在我们的日常生活中随处可见的不能缺少的一部分。也与人们的生活密切相关。就像我们吃饭所用的饭碗，劳动所用到的铁器，建材所用到的钢筋，门窗用到的铝材，玻璃等等。材料得出现应该改变着人们的生活，使我们的科学技术更先进[1]。我们人类社会的发展离不开材料，生活中有很多材料，正因为这些材料的存在，让我们的生活才不断变得美好起来。进入二十一世纪，材料已经成为我们赖以生存不可或缺的重要物品，材料也是我们生活的科技文化不断进步的源泉。是丰富科学文化和技术的重要物质保障基础，作为现代科技的灯塔的材料，被人们誉为现代文明的顶梁柱之一。如今，材料在世界各国的发展中起着举足轻重的作用，大到一个国家国防工业，航空航天技术，小到人们的基本日常生活，都已成为很难缺少的东西。所有的国家的发展以及工业建设离不开材料的支撑。近年来，世界各国的高新技术的快速发展，如果我们把新材料技术能够推动人类社会不断向前发展看作是人类社会的发展史的话，那么，自人类历史开始起，人类开始学会用石器代表人类社会走进石器时代[2]，又从旧石器时代进步到新石器时代，再后来进入到青铜时代，我们祖先学会了应用青铜器[3]。然后到铁器时代、从十八世纪开始人类社会进入到钢铁时代，钢铁冶炼成形加工技术得到了长足的发展，20世纪以来人类社会已经步入多种多样的高分子材料时代。随着科学技术得发展，各种复合材料得出现，标志人类社会已经步入复合材料时代，复合材料在国家经济建设和国防航空工业中起到了无可替代得作用。人类从很多年以前我们就和材料接触，石头可以说是最初，也是最原始的材料，经过几千年的发展，随着科学技术的发展，各种复合材料的出现，标志着人类社会已经步入复合材料时代[3]，复合材料在国民经济建设和国防航空工业中起到了举足轻重的作用[4]。

现在随着世界各国高新技术的不断发展，复合材料已经成为科学技术发展必不可少的一部分，也就是说复合材料对现代科学技术的发展起着举足轻重的作用。复合材料出现和快速发展与大量生产与应用已经成为各国科学技术竞争的核心。科研工作者对复合材料的研究深度极其广泛的应用，逐渐已成为科学技术进步和先进水平的衡量标准。进入21世纪以来，随着全球各国航空工业技术水平和国防工业技术水平及其经济民生的快速发展，世界各国，尤其是发达国家的复合材料市场蓬的发展，已经到达一定高度，但是亚洲国家，尤其是正在快速发展的我国市场，复合材

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料出现快速发展的良好态势。而现阶段，随着我国整体的产业升级大背景的影响之下，我国复合材料行业呈现出一个新的大发展阶段，我国国民经济水平的提高伴随的汽车工业的迅猛发展带来的各种各样复合材料的大量需求、另外随着国内大规模的铁路开发与建造，复合材料领域需求广阔，再加上国防核工业迅速发展，复合材料仍然占据了巨大市场份额，还有各国航空工业的发展等等带来发展空间的市场需求。从材料行业市场的长远发展来看，复合材料产业具有无比前景广阔和发展空间[5]。

复合材料科学和工程技术的开发及其应用经历出不多半个多世纪的研究与发展积累了丰富的宝贵经验。因为它具有超强，复杂优越的一些性能，在提高各类结构效率方面发挥了举足轻重的作用[6]。本节介绍了复合材料定义，复合材料的整体结构和它整体成形工艺的概念和分类，分析了部分复合材料整体结构及其特性和一些整体成形工艺适用特点。

1.1.1 复合材料定义及性质

复合材料是由至少两种性质特性不同的材料经过各种各样的工艺手段组合而成。复合材料中的各个组成材料成分及其含量在组织与综合性能上能够相互起到了协同互补的作用。它具有多种多样的性能特点，如强度高、硬度大、质量轻，强度大等特点，另外可按照不同的实际需求及其应用方式和设备所处条件进而设计和制造出来。为了满足多种多样的苛刻条件用途需求，研究工作者进行了无数次成功与失败的实验尝试，经过诸多努力和试验后，从很大程度上提高了各种结构材料的性能。总体而言，复合材料化学稳定性良好，另外耐高温性能也不错，也能够减少磨摖磨损、自润滑性良好，比强度高，良好的导电导热性能，有高的热冲击优良性能，韧度高，比模量高如此诸多优良性能，具有广泛应用[7]。

1.1.2 复合材料基本分类

复合材料种类非常多，如果要对其进行仔细分成某一类别的话，有太多种的很

分类方法，不同的分类方法可以分出非常多的、不同的复合材料类型[7]，这里介绍一下复合材料按不同金属基体类型的多种分类方法。复合材料依照不同的基体的不同分类有聚合物基体复合材料，另外还有金属基体的复合材料。而聚合物基体的复合材料有由热塑性树脂复合材料和橡胶为基体的复合材料，还有热固性复合材料。金属基体复合材料最为实用，生活中最为多见，应用也最广[8]。

1.2 铜基复合材料介绍

铜的发现和应用可追溯到商朝时候。也是人类历史上发现最早的几种金属中最重要的金属之一，纯铜呈现橙黄色，在现实生活中常常应用在各种雕饰物品涂料中。

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它是一种很实用的金属，铜具有良好的延展性，导电性能没有银好，金属活动性比银活泼，但没有铁活泼，其导电性能比铁好，但没有银好，铜的导热性能也比较好。良好的导电性被广泛应用在电路电子元件中，优异的导热性在电子元件中起到了重要作用。这里主要介绍一下复合材料的性质及其广泛应用，再从从增强体材料、增强机理、制备方法等方面简述了铜基复合材料的研究进展情况。

铜良好的延展性是铜比较优良的特性。然而铜也有它自身的缺点，由于铜的硬度比较低，所以很难承受高强度压力撞击，除此之外，铜的屈服强度也很低，再加上它抗蠕变性能相对来说比较较差，进而使得它在航天航空工业方面应用有很多[8]。铜基复合材料是很好并且具有广阔应用前景的功能材料[9]，无论是在传统的基础建造工业还是被广阔应用在的高新科学技术产业方面技术，还有航空航天等尖端武器科学研究领域，它的应用市场广阔，需求也很大，随着工业建设的不管增强，高新技术领域，更需要铜基复合材料来填充空缺。古老的最基本的铜材料强度比较低，耐热性能力也不够好，铜的合金材料强度也不够高，耐热能力也不好，因此在应用方面铜受到了不少因素的，而想要让铜和它的合金材料的的强度有所提高，往往是会使它的电导率与热导率得到破坏。这个问题为了得到解决，铜基复合材料出现了。铜基复合材料的优良性能，常常由铜基体材料和铜基体材料中增强体的性能，以及铜基体材料和铜基体材料中增强体之间结合的紧密与否有关联[10]。随着科技技术的不断进步，国内外诸多学者及其材料研究工作者的不懈努力，铜基复合材料的在科技技术方面一定会有新的突破和新的发现，它性能一定能够不断提高的。这种铜基复合材料未来的应用前景会很宽广的。

铜基复合材料方面突破性研究也将伴随着很大的经济效益的产生，所以我们更应该在这方面做出努力，铜基复合材料方面取得研究突破，将是科技的一大进步。 铜基复合材料是很好并且具有广阔应用前景的功能材料，无论是在传统的基础建造工业还是被广阔应用在的高新科学技术产业方面技术、还有航空航天等尖端武器科学研究领域，它的应用市场广阔，需求也很大，随着工业建设的不管增强，高新技术领域，更需要铜基复合材料来填充空缺[11]。随着科学技术的发展，铜基复合材料的质量的性能也会越来越好。

铜基复合材料经过几十年的开发研究和发展壮大，虽然只对其组织性能、部分材料的时效过程及其制备工艺流程，以及一些方面的应用等有了进一步的了解和认识，可是由于复合材料中各化学成分的变化和制备加工工艺的不稳定性往往导致部分铜基复合材料的应用性能不够稳定。所以更需要人们进一步对铜基复合材料的时

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效相变过程方面进行深入的研究已解决当前存在的诸多问题[11]。除此之外我们还要对铜基复合材料的组织结构转变作出相应的研究，研究它的组织结构，得到性能特性，以便更好的应用它的功能特性。对铜基复合材料的性能的研究，得到更好的了解其应用领域并研究它，为人类生活提供便利。同时也为了得到性能比较好的铜基复合材料，另外也在为得到性质比较稳定的复合材料做出各种各样的努力。铜基复合材料应用比较广泛，例如他在汽车工业中的应用，由于铜基复合材料的强度比纯铜的强度高[11],所以在航空航天方面应用也很广阔。 除此之外铜基复合材料导电性能也很好，因此在电缆，集成电路中应用也很多。另外铜基复合材料导热性能也很好，所以铜基复合材料微电子方面应用也很普遍。从我国目前现实情况来说，工业基础还不够扎实，在铜基复合材料方面研究还不够到位，特别是在铜基复合材料的导电导热方面的研究和开发不够。另外在铜基复合材料的强度这块的探索，在充分利用其强度高的特性这块需要我们继续努力。除此之外，铜基复合材料还具有良好的抗磨损能力，在汽车及航天科工方面的应用比较广泛[12]。

不久的将来, 广大材料工作者应该也会不断完善铜基复合材的生产工艺, 优化铜基复合材料的产业结构，研究出比较廉价的且具有优越性能的铜基复合材料[13].。材料工作者应该大力开发更多各种各样的新型的具有高性能的铜基复合材料，探寻价格便宜，成本比较低的途经生产渠道,努力更好的简化它的生产工艺，更好的满足市场需要。

铜基复合材料性能有很多，良好的导电性被应用在诸多电子电路领域[14]。还有良好的导热性也特别有价值，另外铜基复合材料也具有好的延展性，它这些优越的新年功能才是铜基复合材料的珍贵之处所在。它的性能主要由它增强相和铜基体之间的空隙的界面强度的作用而决定[15]。铜基复合材料的增强相有很多，其中常见最为普遍铜基复合材料的增强相主要有三氧化二铝和碳化物，除此之外，在部分材料中还有二硼化钛、Ti3SiC2、碳化钛也作为铜基复合材料的增强相而存在[16]。三氧化二铝是由两个铝原子和三个氧原子组成，它的颗粒在增强铜基复合材料的性能这方面起着很大作用，在这方面当前的研究也比较多，也是一个很好的研究发展方向。在科研工作者的诸多努力之下，研究也取得了骄人的成绩，随着研究的深入，也不断的在实用阶段探索和试验[17]。铜基复合材料的耐磨强度受到三氧化二铝的影响，它有促进增铜基复合材料的耐磨强度的作用，铜基复合材料的抗拉强度也很好，常常也受到三氧化二铝增强相的影响。另外导电性能也有所提高，铜基复合材料的导热性和纯铜的导热性能接近，因此抗腐蚀性能也很好的，另外由于三氧化二铝的作

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用，它的抗磨损性能也比较好，应用也比较普遍。

1.2.1 铜基复合材料的性能及应用

铜基复合材料具有很多优异的性能，这些优异的性能决定了它的各种各样的应用。它力学性能和物理性能比较好，因此应用也很多，特别是在电力，机械方面的广泛应用。导电性能良好，所以在通电线路和集成电路，电子芯片方面用的也很多[18]。铜基复合材料高的强度也发挥着很多作用，就像电接触材料中的应用。铜基复合材料减磨耐磨性和耐蚀性被广泛应用在汽车和航空设备的摩擦减磨设备中[19]。随着人们铜基复合材料的了解和研究，促使它在应用方面也的越来越广阔，与此同时也对铜基复合材料的性能提出了更高的要求。例如在对摩擦性能要求方面当前难以满足实用需求更高的要求[16]，要求也相应的越来越高，铜基复合材料在电路电导与汽车电子航空工业方面应用特别多，怎样得到成本低，经济，也能够满足规模化生产的铜基复合材料的制备工艺已是当前研究的主导方向。也是未来努力简化生产工艺，降低生产成本，得到满足市场需求的优异性能的铜基复合材料是我们的方向。因为铜基复合材料具有一定的功效功能，就像这其中高的热导电性，另外由于机械性能也差不多一样好，抗拉伸的弹性也能够满足生活需求，因此在农村，远程的电线电缆中常常用铜作为导电的材料，输送电流，在笔记本电脑，电视冰箱的电器中，也有很多线路是用铜作为导线连接的[19]。由于耐磨性比较好，有时候也用于钻井用的钻头，像挖煤，开发天然气的设备的钻头，未来需要我们新一代人去研究发现他优越的性能，使得它的应用更加旷阔。

1.2.2 铜基复合材料的分类及制备方法

铜基复合材料中间的增强体有很多种，为了更好的得到铜基三氧化二铝复合材料，更好地提高二元铜基复合材料的一些性能，按加入的不同的增强体将铜基复合材料分为很多种，其中增强体类型最多的有硼化物增强型，还有碳化物增强型，除此之外还有氮化物增强型以及硅化物增强型的铜基复合材料。经过很多研究，其中铜基复合材料的碳化物增强型增强体有碳化钨，碳化钛，碳化硅，碳化锆等。铜基复合材料的硼化物增强相有二硼化钛，二硼化锆，硼化铬等。另外还有三氧化二铝，二氧化硅也是铜基复合材料的增强相[20]。增强相的存在极大的提高了铜基复合材料的组织与性能。

以Cu为基体的铜基复合材料半个世纪以来研究开发最多的有铜的铜基复合材料。铜基复合材料在世界各国研究特别多，各国都在争相研究出自己的技术成果。而对于我国而言，工业基础还不够扎实，在铜基复合材料方面研究还不够到位，特

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别是在Cu基复合材料的导电导热方面的研究和开发不够。另外在铜基复合材料的强度这块的探索，在充分利用其强度高的特性这块需要我们继续努力。除此之外，铜基复合材料还具有良好的抗磨损能力, 在汽车，航天科工方面的应用比较广泛。因此铜基复合材料是一种未来很有价值的新型材料[20]。

研究工作者经过近几十年不懈努力的研究和开发，总结出来的在制备铜基复合材料的方法方面的一些成就, 大体上有粉末冶金法，内氧化法，复合铸造法、机械合金化法、浸渍法、燃烧合成法、溅射成型法、原位形变法这几种制备方法[21]。

1.2.3 铜基复合材料的未来发展

铜基复合材料是一种很好的材料，有很多优异的功能，像到导电导热，耐磨损，良好的延展性等这些应用比较广泛的良好功能在未来应用前景一片大好。从基本的生活电子电路，电子产品到微电子芯片航空航天各个领域，不管基本日常生活用品还是高新技术产业的发展，还有很多尖端武器技术方面铜基复合材料都占据着举足轻重的地位。随着科学技术的不断进步，世界各国对铜基复合材料的需求也急剧增长，也对铜基复合材料的的各种功能也提出了更高更好的要求。在过去的几十年中，科学技术的快速发展，铜基复合材料的研究也取得了很大的成就，从基本的物理性质，化学性质，到它的性能，显微组织，功能功效已经得到了全面的了解和研究[21]。但是在制备方法，制备工艺上还有很长路要走。除此之外还有组织成分的变化对功能特性有甚么影响我们还要继续研究。还有时效强化，增强体类型对铜基复合材料的功能特性的影响都需要我们进一步探讨研究。还有组织和热处理方面，浇注温度等等对铜及复合材料功能的影响都需要继续研究。为了更好的开发和应用铜基复合材料我们广大材料研究者更需要做进一步的努力。

在材料领域，近几十年来出现了很多新型材料，而它的研究热度和应用广度并不亚于传统材料甚至超越了传统材料。在诸多新型材料[21]中对铜基复合材料的研究也特别热。在日本，美国，德国等发达国家中铜基复合材料的研究已经达到一定的水平，而在国内在这方面的探究还很不成熟，有的方面才刚刚起步，在铜基复合材料研究方面，国内有不少材料工作者努力研究着，但很多技术条件还不够，环境条件的诸多，铜基复合材料的研究依然存在着很多问题。

铜基复合材料是很好的材料，经过几十年的开发研究和发展壮大，虽然暂且只对其组织性能、部分材料的时效过程及其制备工艺流程，以及一些方面的应用等有了很少很简单的了解和认识，可是由于复合材料中各化学成分的变化和制备加工工艺]的不稳定性往往导致部分铜基复合材料的应用性能不够稳定。研究一种材料，首

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先要从它的物理性质，化学性质，及其宏观，微观组织结构，再从它的制备工艺研究。

当前铜基复合材料的研究已经进入白热化，尤其是在组织性能和制备工艺上[22]。就目前国内的技术水平，在铜基复合材料制备工艺方面存在着诸多问题，虽然有很多的制备工艺，但是要结合实际生产应用的话，就会发现很多问题，例如有的制备工艺成本特别高，有的很难适应大规模批量生产。怎样得到成本低，经济，也能够满足规模化生产的铜基复合材料的制备工艺已是当前研究的主导方向。也是未来努力简化生产工艺，降低生产成本，得到满足市场需求的优异性能的铜基复合材料是我们的方向。

铜基复合材料的经过广大材料工作者经过几十年的研究和开发应用[23]，不仅填补了材料部分领域的空白，还在经济效益方面得到了很多实惠，也得到很高的经济价值。在科技发展方面也有一定的促进作用。虽然目前由于技术水平有限，很多工艺研究还很落后，很多性能的研究还不够清楚，制备工艺也还要继续改进提高。但是未来我们广的学者，知识分子会在这方面做出更出色的研究成果[24]。

从我国现实情况来说，工业基础还不够扎实，在铜基复合材料方面研究还不够到位，特别是在铜基复合材料的导电导热方面的研究和开发不够。另外在铜基复合材料的强度[25]这块的探索，在充分利用其强度高的特性这块需要我们继续努力。除此之外，铜基复合材料还具有良好的抗磨损能力, 在汽车，航天科工方面的应用也比较广泛。因此铜基复合材料是一种未来特别有价值的新型材料[25]。

1.2.4 Al2O3 /Cu基复合材料

铜和铝组成的复合材料是一种最近几十年研究开发出来的新材料，然而铜和铝组成的复合材料中铝主要以Al2O3存在。通过把铜和铝经过各种工艺复合而成的复合材料，它具有了铜和铝两种金属各自不同的性能。使得铜铝合金复合材料的性能更加齐全，更加完美，它聚集了铜的导电性好，外形优美的特点，同时也具备了铝的质量轻，性能好，的优良性能，两者综合起来我们得到了质量轻，导电导热也好，还耐磨性能也很好的铜铝合金新材料，满足了很多领域的需求。随着科学技术的迅速发展，各种电子电路，电线电缆，电器设备等等都离不开铜铝合金材料。未来随着研究的不断深入，将会有更出色的研究成果，创造出更好未来。

铜和铝组成的复合材料中铝主要以Al2O3存在，Al2O3的存在增强了铜铝复合材料的综合性能[26]。Al2O3的存在不仅增强了Al2O3 /Cu基复合材料综合性能，而且提高了Al2O3 /Cu基复合材料经济价值。由于铜基体材料的导电性能比较好，所以Al2O3 /Cu

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基 复合材料也有良好的导电性，正因为如此，Al2O3 /Cu基复合材料在微电子线路中应用特别多，各种电容电器设备中起着关键的作用。应用前景也是特别好的一种新型复合材料。

Al2O3 /Cu基复合材料现在世界各国学者都在争相研究，是研究特别热的铜基复合材料，早在三十多年前就有国外学者开始研究Al2O3 /Cu基复合材料，特备是美国，日本在最近几年时间里，对它的研究特别火热，对Al2O3 /Cu基复合材料的性能做了无数次试验，在不断的研发和试验中得到了很多新成果，因此在部分方面也得到了技术一些专利。然而现存的问题当中，提高是Al2O3 /Cu基复合材料的抗磨损能力和强度应该是研究的主体方向，因此Al2O3 /Cu基复合材料的研究前景还是相当不错的。

Al2O3 /Cu基复合材料的的存在，在材料领域占据了很大的地位，它的组织性能和显微组织导电导热的综合性能被很好的应用在人类生活各种设备中。要得到Al2O3 /Cu基复合材料最常用的方法有粉末冶金冶炼的方法。其次看情况而定，条件允许的话，还会用到热还原的方法制造Al2O3 /Cu基复合材料。除了以上两种方法制得Al2O3 /Cu基复合材料之外，还有内氧化法。

粉末冶金冶炼的方法制备Al2O3 /Cu基复合材料有很多不同的操作实验过程，总体上来说是将铜矿石中的铜的粉末冶炼出来放着等待实验使用。接下来从铝的化合物或者铝的矿石中利用化学反应等一系列的方法制得三氧化二铝粉末。再把制得的铜粉结合要求计算出加入的质量，然后再按化学方程式计算出三氧化二铝的需要质量。再把铜粉放在研钵中搅拌一会，再将三氧化二铝也放入研钵中，两种粉末一起搅拌，知道两种粉末进入彼此的成分相同。再将混合的粉末利用压块用的机器压制成块状，在热处理电炉中加热一段时间，取出放入铜基体的融化液中经过反应，再浇注成型得到的材料就是Al2O3 /Cu基复合材料。

第二种制备方法是内氧化法，这种方法是一种特别常见的制备Al2O3 /Cu基复合材料的方法[27]。它主要是先用木炭还原制得红色的铜粉，然后再高温的条件下将铜粉和三氧化二铝粉末熔化使他们反应，再在融化液体中加入三氧化二铝粉末，保持高温使其他们所有的成分一起发生氧化还原反应，在这个过程中要不断的给反应液中喷氧气，保持温度反应一段时间后，取出，浇注到成型模具中，等待一段时间，让它自然冷却，最后得到了Al2O3 /Cu基复合材料。这样制造得到的Al2O3 /Cu基复合材料性质因为反应过程的操作不同而有所不同。

另外还有一种制备方法被称为搅拌铸造法。这种方法是是将Cu 棒状材料切割以后，让它在很高的温度下熔化，让它变成液体, 接下来再把其他加入成分加入进去，

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要加入的请他加入成分有三氧化二铝的粉末颗粒，再加入铜的液体熔化液体中，要用炭棒搅拌，让三氧化二铝充分的和铜的熔融液反应，然后在保温让他们反应一段时间，取出来，将液体浇注到事先准备好的成型模具中，在空气中自然冷却得到的铜基复合材料的方法，就是搅拌铸造法[27]。

机械合金化法是也是一种制备铜基三氧化二铝复合材料的一种方法，主要步骤是将铜的粉末和三氧化二铝的粉末都放在球磨机中，摇匀，然后慢慢的研磨均匀，等待的时间长一些，然后将研磨得到的混合粉末的性状发生改变，相隔一段时间之后，就得到它的固溶体材料，再用压块机压制成块，烧结处理得到铜基三氧化二铝复合材料，这种方法比较难以控制，制备得到的材料性能不是太好，组织结构不够均匀，使得综合性能大打折扣，所以这种制备方法不常用。

Al2O3 /Cu基复合材料因为铜和铝都是电的良导体，也属于金属基复合材料，所以它不仅满足导体的特性能够导电，而且具有金属的性质，就是可以导热，强度一般情况下也很高。Al2O3 /Cu基复合材料现在世界各国学者都在争相研究，是研究特别热的铜基复合材料，早在三十多年前就有国外学者开始研究Al2O3 /Cu基复合材料，特备是美国，日本在最近几年时间里，对它的研究特别火热，对Al2O3 /Cu基复合材料的性能做了无数次试验，在不断的研发和试验中得到了很多新成果，因此在部分方面也得到了技术一些专利[28]。然而现存的问题当中，提高是Al2O3 /Cu基复合材料的抗磨损能力和强度应该是研究的主体方向，因此Al2O3 /Cu基复合材料的研究前景还是相当不错的。未来随着研究的不断深入，将会有更出色的研究成果，创造出更好未来。

虽然目前在这方面的研究已经很详细了，但是依然存在着很多缺点和不足。接下来更需要我们广大材料研究者做出更多的努力，已得到更好的满足我们生活需求的Al2O3 /Cu复合材料[29]。

1.3 本实验研究的目的和意义

本次实验主要就复合材料的基本介绍引出Al2O3 /Cu基复合材料，然后从Al2O3 /Cu基复合材料实验的制备，观察金相组织，再测量它的硬度，摩擦磨损量分析了Al2O3对铜基复合材料组织与性能的影响。该次实验的目的是为了探究Al2O3颗粒对铜基复合材料组织与性能的影响。从本次实验过程中学到了很多东西，学会了各种实验仪器的操作，懂得了整个原理，领悟到在完成整个实验过程中的严谨，细心的做事态度，为日后的工作，社会生活积累了宝贵的实践经验。同时通过实验了解到Al2O3颗粒对铜基复合材料具有增强的作用，具体说来，在一定的Al2O3百分比含量

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范围内能够提高铜基复合材料的硬度和导热性能。

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第二章 Al2O3/Cu基复合材料的制备及其实验过程

2.1 Al2O3/Cu基复合材料的制备原理

本次实验的主要是材料分为铜块，铜粉，铝粉，氧化铜粉末。其中铜块是原始的基体材料，在铜的基体上加入不同含量的铝粉、氧化铜粉末放在一起然后混合不断的硏磨均匀，根据基体铜质量的不同而加入不同含量的铝粉和氧化铜粉末。这个实验反应的主要反应原理为

2Al+3CuO+6.5Cu=Al2O3+9.5Cu

( 0-1）

然后根据反应生成物中的铜块为基体，称量得到铜块基体的质量。根据化学反应式计算出Al2O3的质量。在分别以三氧化二铝占铜基体的百分比计算出铝粉，铜粉，氧化铜粉的质量，将三者混合研磨均匀，并压块，再与铜块基体一体熔化浇筑得到的铸件原位Al2O3/Cu基复合材料。

2.2 Al2O3 /Cu基复合材料的各试样的制备过程

1. 备料。在实验之前首先写出化学反应的化学方程式，再根据化学方程式，依据已知量算出各组分的质量。在截取一段铜棒备用，然后称量截取铜棒的质量，根据铜棒的质量按上述计算方法计算出铜粉，铝粉，氧化铜粉末的质量。然后将称量得到的铜粉，铝粉，氧化铜粉末一起放在混合在研钵中顺时针研磨两小时左右，直到研磨均匀为止。然后把研磨好的均匀的铜粉，铝粉的混合粉末放入用压制模具中，一个组分的粉末压制成两块预制块，然后再取出预制块用铝箔包好备用。

2. 加热。将基体铜块放入坩埚中，然后用手柄长得钳子将坩埚夹着戴上手套以及隔热套，为了防止烫伤烧伤，然后用手柄长得钳子将坩埚夹着，放入电阻炉中加热熔化，坩埚电阻炉的炉温控制在1180℃左右保温一段时间，使铜块充分熔化。一边使基体铜块熔化，一边把把先前制备好的准备好的的预制块放入厢式电阻炉中，除了预制块之外，也要把浇注模具也放入箱式电阻炉中预热，大概在200℃预热30分钟。这样做的目的是为了给预制块干燥，除去预制块中的水分；也为了防止浇注模具中含有的水分影响浇注件的性能，也为了更好的与基体铜块发生化学反应反应。 3. 原位反应。等待铜块全部熔化了，拿出预制块，放入铜块的熔化液体中，用石墨搅拌棒压着使它和铜块溶液充分侵没在铜块熔液中，不到一会，会发现熔液和预制块发生剧烈的热爆反应。在这个实验过程中一定要注意安全，因为热爆反应会有部分熔液溅射出来，在高温条件下，对人体的伤害是最大的，防止烧伤和烫伤。

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在预热块和铜块熔液发生反应的同时，要记得用石墨碳棒充分的搅拌混合反应液，这样做的的目的是为了使铜粉铝粉的预热快充分和铜块基体熔液反应，得到性能良好的铜基三氧化二铝复合材料。在这个过程中同样要注意安全。

4. 浇铸。将搅拌好的铜块和铜铝粉末混合熔液继续加热到1180℃左右保温一段时间后取出浇铸，在浇筑的过程中要注意浇注速度要快，为了防止没有浇注完全时熔液已经冷却了，浇铸完成后让浇铸件在常温下自然冷却就得到Al2O3 /Cu基复合材料。

2.3 Al2O3 /Cu基复合材料的制备工艺流程

铜基三氧化二铝复合材料的制备工艺如图2-1所示

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铜粉末，氧化铜粉末，铝粉混合研磨均匀 压制成预热块 预热处理 与纯铜熔融液发生热爆反应 搅拌发生原位反浇铸成型 图2-1 Al2O3 /Cu基复合材料的制备工艺流程图

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2.4 Al2O3/Cu基复合材料的制备所用到的仪器设备

在铜基三氧化二铝复合材料的制备过程中，用到很多实验仪器，从实验材料在研钵中研磨后，需要压块，然后再预热，和熔融液的铜液发生化学反应，实验的整个过程中用到的基本仪器如表2-1所示。

表2-1实验所用的仪器设备

试验设备名称

坩埚电阻炉 金相试样抛光机

测温仪 光学显微镜 维氏硬度计 电子天平 摩擦磨损试验机

型号

SG2-12-13 YSZ7116 W300 AXIO HVS-30Z/LCD

台式 MM-W1

2.5 Al2O3/Cu基复合材料观察的金相显微组织

将制备得到的浇铸件Al2O3 /Cu基复合材料需要做前期的切取试样，倒角，粗磨，精磨，粗抛和精抛处理，再腐蚀才能观察其金相显微组织。

（1）试样的切割：将浇铸好的Al2O3 /Cu基复合材基复合材料试样用切割机切掉两端，然后从最浇注的最初端切下一段作为研究样本，其尺寸大约为10cm左右。 （2）倒角：用砂轮打磨出倒锥角，修正使试样四周没有尖锐锋利的棱角，这样做是为了防止抛光滑落，对人体造成伤害。

（3）粗磨：用金相砂轮机进行粗磨，粗磨的目的是使试验样本的表面平整。 （4）精磨：先用最小号的砂纸进行磨制，由小到大依次打磨，在每次更换砂纸的同时，磨制的力度应该越来越小，并且新的磨制的方向应该遇上一张砂纸的旧磨痕保持垂直。在精磨过程中，应该注意磨制的力度以及磨制的方向。 （5）粗抛：先在抛光机粗抛，直到观察到没有明显划痕为止。

（6）精抛：粗抛后再轻轻上按着精抛，直到试样表面光亮的如镜面一样，在显微镜下，其表面无明显的划痕。

（7）腐蚀：将抛光后的试样需要用腐蚀剂腐蚀表面，然后才能观擦其组织结构。

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首先将试样表面用蒸馏水洗净，确保样本表面干净整洁，避免表面形成花斑，影响组织形貌的观察。然后用腐蚀剂腐蚀，腐蚀大约大约为8-10秒。然后将腐蚀的试样表面滴上究竟，用吹风机吹干，即可观擦。

2.6 Al2O3/Cu基复合材料试样硬度的测定

用维氏硬度计是进行对Al2O3 /Cu基复合材料硬度的测定，其主要的操作顺序是： （1）首先接通电源，然后打开显示器，调节转载荷按钮，设定实验力，同时设定保荷时间。观察光源指示灯是否打在试样表面，将试样放在维氏硬度计的显微镜下方，要是不够平整的话，在它的下面放上橡皮泥，用两个玻璃片压平整后，再放在显微镜下方，旋转载物台下方的调节转盘，使其在显示器上清晰成像。

（2）调节载物台右侧侧左右移动旋钮，及前方调节旋钮，选择合适的硬度测量区域，然后按下“START”开始加载，加载结束后仪器将自动转换到物镜，此时硬度在显示器可以观察到类棱形的压痕，旋转升降调节手轮使压痕清晰。

（3）通过调节侧位移动手轮和转动测微目镜，测量压痕对角线长度，便可在显示器读出其硬度值得大小，多次测量去其平均值。

（4）实验测定结束，关闭电源，收拾好实验仪器桌面。

2.7 Al2O3/Cu基复合材料试样摩擦磨损的测定

将试样上下表面修复平整，用摩擦磨损试样机对试样磨损性能的检测，每个试样测量三次，求平均值。

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第三章 Al2O3/Cu基复合材料的实验结果分析

3.1 Al2O3/Cu基复合材料的金相组织分析

看到试样的显微组织结构。然后在显微镜下观察试样的显微组织，照相得到试样的金相显微组织图片。Al2O3 /Cu基复合材料显微组织结构如图3-1所示

a b

c d

图3-1 a为纯铜试验；b为Al2O3含量0.6%试样；c为Al2O3含量0.9%试样；d为Al2O3含量0.9%试样

从以上的图3-1的金相组织形貌结构可以看出，从纯铜到Al2O3含量依次0 ；0.6%；0.9%；1%时，三氧化二铝在铜中分布情况，呈现等轴状组织包围在铜的基体周围，一圈一圈的形成椭圆，或者长条状，看起来很细微，也很漂亮。铜的基体材料中出现三氧化二铝分散分布的样子，围绕着铜颗粒线型散乱分布中，增加了铜的强度和

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硬度，也提高了铜基复合材料的导电性[30]。铜基复合材料中有三氧化二铝的存在，铜组织中有三氧化二铝颗粒。

a b

c d

图3-2 a为纯铜试验；b为Al2O3含量0.6%试样；c为Al2O3含量0.9%试样；d为Al2O3含量0.9%试样

从图3-1和图3-2整体分析可以看出不同百分含量的Al2O3颗粒的金相组织结构有所不同。纯铜的的显微结构颗粒明显很大，境界也很明显，分布很乱，不均匀。随着Al2O3颗粒百分含量的增多，逐渐产生细小的颗粒组织，晶粒有所变小，分布逐渐均匀，出现了蔷薇状组织。在Al2O3颗粒的增多过程中，逐渐有三氧化二铝颗粒散乱分布进入到铜的晶界中。逐渐出现了等轴状组织结构[31]。

从图3-1a和图3-2a基本全是蔷薇状组织，再加入Al2O3颗粒后组织形状有所变化，逐渐向等轴状变化，分析Al2O3 /Cu基复合材料的金相组织得到原位三氧化铝颗粒能够细铜化基体组织，三养化二铝弥散分布在铜基体中。晶粒增大增多大是通过

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晶界的移动来完成的。

综合上面的图3-1和图3-2金相显微组织形貌结构可以看出，随着三氧化二铝含量的增加他们的显微组织看起来越来越精细，三氧化二铝有部分会在铜中的分布越来越多。三氧化二铝的小颗粒夹杂在铜基复合材料中，影响到材料本身的性能，在一定的条件下，一小部分颗粒的析出，会影响到材料的导电率，也就是说，让材料的导电率有所下降,在铜基复合材料中，三氧化二铝的分布形状极其它的形貌会影响到材料的导电性，除此之外有时候也影响到材料的强度，能否得到强度好，导电性能好的铜基复合材料主要由三氧化二铝內氧制备工艺所决定，在某种情况下，只有三氧化二铝的含量很少的时候，铜基复合材料的对电流的阻碍作用才下降不是很大，从拍摄的显微组织照片上看，大体估计一下这些小颗粒的直径大约在15纳米左右，虽然很小，也很最少，但是它对铜基复合材料的性能的影响是很大的。

3.2 Al2O3 /Cu基复合材料的硬度分析

Al2O3的百分含量对铜基复合材料的硬度有一定的影响，表3-1为Al2O3 /Cu基复

合材料的硬度的部分测量数据。

表3-1 Al2O3含量对铜基Al2O3复合材料硬度的影响 组别 含量

0.6%

0.9%

1%

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1 2 3 4 5 平均值

139.6 140.4 141.2 145.3 140.6 140.5

178.8 167.6 155.3 165.6 160.8 163.4

185.4 176.4 173.6 184.3 187.6 179.2

图3-1 Al2O3含量对铜基Al2O3复合材料硬度的影响

从实验对Al2O3含量为1%；Al2O3含量为0.9%；Al2O3含量为0.6%几个个实验浇注件测定他们的硬度，从测量数据的平均值分析可以看出，铜基复合材料在Al2O3含量0到1%的范围内，如果三氧化二铝的含量增加，Al2O3 /Cu基复合材料的硬度有所

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上升，三氧化二铝能够增强铜基复合材料的硬度，但是Al2O3的含量超过一定值，三

氧化二铝的含量增加，Al2O3/铜基复合材料的硬度反而降低有所降低。

3.3 Al2O3 /Cu基复合材料的摩擦磨损分析

Al2O3的存在对铜基复合材料的耐磨损性能有所影响，这里主要就不同含量的三氧化二铝含量的Al2O3 /Cu基复合材料摩擦磨损量得测量数据，由此研究Al2O3的存在对铜基复合材料的耐磨损的影响，数据如表3-2所示。

表3-2 Al2O3/铜基复合材料摩擦磨损量

磨损量（g）

Al2O3含量 0.6% 0.9% 1% 1 0.0260 0.0270 2 0.0280 0.0210 3 0.0250 0.0250 平均值 0.0263 0.0242

0.021 0.019 0.150 0.018

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表3-2 Al2O3/铜基复合材料摩擦磨损量

从实验数据分析可以知道三氧化二铝的存在能够增加铜基复合材料的耐磨损性，从数据分析得知随着三氧化二铝百分含量的增加，铜基复合材料的磨损量逐渐减少，也就是说耐磨性越来越好。在一定程度上三氧化二铝的含量增加，摩擦磨损量逐渐减少，也提高了铜基复合材料的硬度，耐磨性也在增强。

3.4 Al2O3 /Cu复合材料的实验的结论

从Al2O3 /Cu复合材料的金相显微组织形貌结构可以看出，随着三氧化二铝含量的增加组织越来越精细，三氧化二铝颗粒在铜基体中的分布越来越多[32]。三氧化二铝颗粒弥散分布在铜的基体材料中，增加了铜的强度和硬度，也提高了铜基复合材料的导电性。三氧化二铝的存在影响着铜基复合材料的组织形貌结构。三氧化二铝的含量影响铜基复合材料的组织与性能，

从实验对试样硬度的测定可以看出三氧化二铝能够提高铜基复合材料的硬度，但是在一定的范围内，三氧化二铝的含量增加，铜基复合材料的硬度反慢慢的有所降低。从对浇注的铜件的磨损量的测定数据观察分析可以知道三氧化二铝的存在能

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够增加以铜为基体基的复合材料的耐磨损性能，在一定范围内，三氧化二铝百分含量的增加，以铜为基体的复合材料的部分性能也有所变化，就像它的耐磨性也会有所增强。

当前铜基复合材料的研究已经进入白热化，尤其是在组织性能和制备工艺上。就目前国内的技术水平，在铜基复合材料制备工艺方面存在着诸多问题，虽然有很多的制备工艺，但是要结合实际生产应用的话，就会发现很多问题，例如有的制备工艺成本特别高，有的很难适应大规模批量生产[33]。怎样得到成本低，经济，也能够满足规模化生产的铜基复合材料的制备工艺已是当前研究的主导方向。也是未来努力简化生产工艺，降低生产成本，得到满足市场需求的优异性能的铜基复合材料是我们的方向。

结论

（1）三氧化二铝的含量不同铜基复合材料的显微结构组织也不同，在一定条件下能够提高铜基复合材料的硬度。

（2）三氧化二铝的含量不同铜基复合材料的摩擦摸损量也不同，添加三氧化二铝能够提高铜基复合材料的抗磨损能力。

（3）当前在铜基复合材料制备工艺方面存在着诸多问题，怎样得到成本低，经济，也能够满足规模化生产的铜基复合材料的制备工艺已是当前研究的主导方向。也是未来努力简化生产工艺，降低生产成本，得到满足市场需求的优异性能的铜基复合材料是我们的方向。

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谢辞

在刘老师的耐心教导下，一学期的实验很快就做完了，在做实验的过程中我们学到了很多东西，老师的严谨细心教学态度让我们受教终生，让我们明白做学问，做研究就该认真细心钻研，不骄不躁，勤奋踏实。在这大学就要结束之际在刘老师的指导指引之下我们完成大学最后的毕业设计实验，为日后走向社会奠定了坚实的实践基础。大学，感谢老师有你，让我的大学过的多姿多彩，让我受益终身。

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