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Cu/Al层压复合材料结合机理及界面反应的研究

作　者: 王达
导　师: 张迎晖
学　校: 江西理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: Cu/Al层状复合材料冷轧复合轧制压下率结合机制界面反应生长动力学
分类号: TB331
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

在工业快速发展与科技不断进步的今天,单一材料已无法满足现代社会对产品综合性能的要求,因此,采用异种金属复合技术制备多功能性复合材料也逐渐被人们所关注。利用固相复合工艺能够将Cu、Al两种性能差异较大的金属复合形成稳定的层状结构,使其同时具有Cu的低接触电阻、高导热率、高导电性能以及Al的经济、耐蚀和质轻等特点,成为当前材料科学领域研发的热点之一。本文通过冷轧复合的方式制备Cu/Al复合薄带,对轧件的变形规律及固相结合机理进行研究,探讨了不同轧制压下率对界面结合的影响;另外,对扩散退火阶段Cu、Al组元间的界面反应、金属间化合物生成与生长规律及其对界面结合性能的影响进行分析,并初步建立不同轧制压下率及退火条件下的扩散动力学/热力学方程,探讨了轧制压下率对金属间化合物层生长的影响,为复合带界面扩散层的控制及轧制工艺参数的优化提供理论依据。结果表明,嵌入机制和裂口机制在Cu/Al冷轧复合阶段起着十分重要的作用,在55%到75%区间,随轧制压下率的升高,界面有效结合（由表面硬化层破裂促使界面金属的相互嵌入）区域增加,增大了界面结合强度,若继续提高轧制压下率对激活中心数量及复合带结合强度的影响减小。另外,在扩散退火阶段,界面金属间化合物生成的先后顺序为CuAl₂、Cu₉Al₄、CuAl;扩散退火初期,复合带塑性有明显的回升,复合带延伸率最高达到35.12%,抗拉强度最大为129MPa;但随着退火时间的延长,金属间化合物层的不断增厚将导致界面脆性断裂,严重影响到复合带性能。通过对试验数据的拟合建立了不同轧制压下率下的孕育期及扩散层生长动力学数学模型,根据模型所得数据发现,轧制压下率的变化在低温下对扩散层厚度的影响较小,随着退火温度升高,在400℃以上时,由于热力起伏的作用,轧制压下率变化所产生界面激活中心的数量对扩散层厚度的影响较为明显;当轧制压下率到达75%左右,界面获得的能量难以使剩余氧化层破裂出现新的激活中心,继续加大压下率对扩散层的影响减小。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-23
  1.1 课题来源及意义  10-11
  1.2 本课题国内外研究现状  11-12
  1.3 Cu/Al 复合材料的应用和前景  12-14
    1.3.1 Cu/Al 复合散热翅片  12-13
    1.3.2 Cu/Al 复合接头材料  13-14
    1.3.3 Cu/Al 复合板带材  14
  1.4 异种金属复合工艺技术的发展  14-18
    1.4.1 扩散焊接法  15
    1.4.2 轧制复合法  15-16
    1.4.3 爆炸复合法  16-17
    1.4.4 爆炸+轧制复合法  17
    1.4.5 电磁连铸法  17-18
    1.4.6 喷覆成型法  18
  1.5 Cu/Al 层状复合材料界面结合机理  18-20
    1.5.1 物理接触的形成阶段  19
    1.5.2 接触表面的激活阶段  19
    1.5.3 扩散阶段  19
    1.5.4 冷轧复合界面结合工艺  19-20
  1.6 层状复合材料的界面反应与控制  20-22
    1.6.1 金属间化合物相生成机制及其影响  20-21
    1.6.2 Cu/Al 界面扩散反应的控制  21-22
  1.7 本课题研究的主要内容  22-23
第二章实验材料及方法  23-30
  2.1 试验流程  23-24
  2.2 试验材料  24
  2.3 试验设备  24-26
  2.4 试验方案  26-28
    2.4.1 试样的制备  26-27
    2.4.2 轧制复合  27
    2.4.3 扩散退火  27-28
  2.5 材料性能检测及界面结构分析  28-30
    2.5.1 金相显微组织分析  28
    2.5.2 X-射线衍射分析  28
    2.5.3 拉伸性能测试  28-29
    2.5.4 扫描电镜及能谱分析  29
    2.5.5 硬度测试  29-30
第三章 Cu/Al 轧制复合工艺的研究  30-40
  3.1 冷轧变形机理分析  30-33
    3.1.1 Cu/Al 轧制变形规律  30-31
    3.1.2 复合机理的探讨  31-32
    3.1.3 材料表面状态  32-33
  3.2 轧制结合机制的研究  33-36
    3.2.1 物理结合阶段  33-34
    3.2.2 60%压下率试样的界面能谱分析  34-36
  3.3 不同压下率轧制复合规律的研究  36-39
    3.3.1 剥离面扫描电镜分析  36-38
    3.3.2 压下率对界面结合的影响  38-39
  3.4 本章小结  39-40
第四章 Cu/Al 复合带界面扩散反应规律的研究  40-55
  4.1 金属间化合物特性及形成机理探讨  40-43
    4.1.1 Cu/Al 固相复合界面反应  40-41
    4.1.2 物相生成热力学及其物理性能分析  41-43
  4.2 界面扩散层生长规律的研究  43-46
    4.2.1 化合物形成的孕育期  43-45
    4.2.2 界面扩散层生长过程  45-46
  4.3 界面结构变化分析  46-51
    4.3.1 XRD 分析  46-48
    4.3.2 金属间化合物相生成规律的探讨  48-51
  4.4 金属间化合物相生成对界面的影响  51-54
    4.4.1 扩散层生长对复合带力学性能的影响  51-52
    4.4.2 剥离面及断口形貌分析  52-54
  4.5 本章小结  54-55
第五章 Cu/Al 界面扩散层生长动力学的研究  55-70
  5.1 中间相化合物扩散层厚度测量  55-57
    5.1.1 扩散层厚度数据处理  55-56
    5.1.2 不同条件下扩散层厚度测量值  56-57
  5.2 扩散层生长动力学方程的研究  57-59
  5.3 扩散系数及孕育期变化规律的探讨  59-65
    5.3.1 扩散系数及孕育期的计算  59-61
    5.3.2 压下率对扩散系数及孕育期的影响  61-62
    5.3.3 孕育期模型建立  62-65
  5.4 扩散层生长动力学方程的建立与分析  65-69
    5.4.1 扩散层生长动力学模型建立  65-67
    5.4.2 轧制压下率对界面扩散层生长的影响  67-69
  5.5 本章小结  69-70
第六章结论  70-71
参考文献  71-75
致谢  75-76
个人简历、在学期间发表的学术论文  76
  个人简历  76
  发表的论文  76

Cu/Al层压复合材料结合机理及界面反应的研究

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