点焊电极用碳纳米管增强铜基复合材料的基础研究

The short electrode life and the poor weld quality during the resistance spot welding of galvanized steels are the key technical problems in automobile assembly industry. The new ideas manufacturing electrode with copper matrix composites reinforced by carbon nanotubes and making carbon nanotubes oriented in matrix by using the hot pressing to improve the thermal conductivity and the electric conductivity of the composite are brought forward. The influence laws of the interface structure and the organization of the composite and the electrode performance by the treatment on the surface of carbon nanotubes and the preparation technology will be studied. The mechanism of carbon nanotubes combining with copper matrix will be explored. The optimal preparation technology of composite electrodes will be determined to breakthrough the application bottlenecks of the metal matrix composite preparation. Numerical and experimental investigation about the influence laws of the electrode life and the weld quality by the proportion, the distribution and the orientation of carbon nanotubes, the microstructure and organization of composite, the microstructure and properties of the interface will be performed. The enhancement mechanism of carbon nanotubes will be discussed. The life of the composite electrode will be evaluated and its failure mechanism will be studied. The application of the carbon nanotubes reinforced metal matrix composite in new ways will be realized. And the independent innovative technology for high performance and long life spot welding electrode may be provided.

针对电阻点焊镀锌钢板用电极寿命短、焊接质量差这一汽车装配制造前沿领域的关键技术难题，率先提出将碳纳米管增强铜基复合材料应用于点焊电极的新思路,以及通过热压力加工使碳纳米管在基体中取向排布来提高复合材料的导热、导电等性能的新设想。研究碳纳米管表面处理与复合材料制备工艺条件对界面结构、组织、点焊电极性能的影响规律及合理匹配规则，探索碳纳米管与铜基体的复合机理，实现复合材料电极制备工艺的优化控制，突破现有碳纳米管增强金属基复合材料制备的实用化瓶颈。计算模拟与实验研究相结合，探索碳纳米管的比例、分布、取向、复合材料微结构与组织、界面微结构及性能对复合材料电极寿命及点焊性能的影响规律。探讨碳纳米管的增强作用机理，评估碳纳米管增强铜基复合材料电极的使用寿命，研究其失效机理。为碳纳米管增强金属基复合材料的实用化开辟新途径，为新型高性能长寿命点焊电极制备提供自主创新型关键技术基础支持。

本项目针对电阻点焊镀锌钢板用电极寿命短、焊接质量差这一汽车装配制造前沿领域的关键技术难题，研究开发了定向排布碳纳米管增强铜基复合材料点焊电极制备的自主创新型技术。我们探索了复合材料电极的制备工艺路线，即碳纳米管分散→纯化→化学镀镍→化学镀铜→混粉→冷压→烧结→高温锻造→模压拔长→挤压成形。通过正交实验优化了各环节工艺参数，完成了粉末冶金模具、热锻、拔长及挤压工模具的设计、制造、调试及修改。采用现代分析技术和表征手段进行了复合材料电极的组织形貌、致密度、硬度、抗拉强度、电导率、热导率、摩擦性能、点焊性能和电极寿命的测试和表征，探索了相关机理，并对碳纳米管/铜复合材料电极的点焊质量及使用寿命进行了评估。研究结果表明，本研究采用的探针超声波、水浴超声辅以机械搅拌的分散方式，实现了碳纳米管在溶液及混合粉末中的充分分散。同时，碳纳米管没有明显受损或断裂。采用硝酸-氢氧化钠-盐酸回流纯化方法可有效去除金属及碳杂质，同时碳纳米管没有明显受损。在碳纳米管表面化学镀获得了完整、均匀、连续和无氧化的镍铜双金属镀层。我们的制备工艺可有效压实材料，焊合微裂纹和微孔隙等缺陷，促进使碳纳米管在铜基体中沿拔长方向重新定位和取向排布，同时碳纳米管在基体保持均匀分散。复合材料致密、未发生严重氧化，且存在明显的各向异性。硬度、抗拉强度、耐磨性明显增加，硬度、抗拉强度分别比纯铜提高了67.3%和13.4%。硬度、耐磨性在垂直于拔长方向的平面高于平行于拔长方向的平面。拔长方向的抗拉强度、电导率、热导率明显高于其它方向，电导率高达83.6 IACS%，热导率高达378.5 W/mK，完全满足电阻点焊电极的使用要求。但电导率、热导率仍然明显低于纯铜，分别只有相同工艺制备纯铜块的81%与94.3%。相比常规CrZrCu电阻点焊电极，5vol.%碳纳米管增强铜基复合材料电极焊接质量好、寿命提升了4倍。本项目研究结果为新型高性能长寿命点焊电极制备提供了自主创新型关键技术基础支持，有利于促进CNTs的实际应用，对于提高我国汽车等支柱产业的焊装工艺水平与生产能力具有重要意义。