大功率EB-PVD高速沉积铜/石墨复合材料及蒸发机理研究

铜/石墨复合材料既具有优异的导电性、导热性和耐电弧烧蚀性能，又具有优异的自润滑性能，是电接触导电零部件的理想材料。但因铜、石墨密度差别悬殊极易产生比重偏析，且传统工艺制备的材料晶粒较大等原因，其材料的性能尚未达到理想状态。因此如何有效地制备高性能复合材料仍是一个极具挑战性的问题。而大功率电子束物理气相沉积（EB-PVD）技术具有不存在比重偏析问题、微结构可控和沉积速率高等优点，适合制备此类材料，所以本项目拟采用大功率EB-PVD技术制备铜/石墨复合材料，研究材料的高速蒸发机理、高速沉积下材料生长机制、含少量非晶碳复合材料磨损机理以及工艺参数对材料组织结构和性能的影响规律。本项目的研究不仅能为大功率EB-PVD沉积铜/石墨材料提供理论指导和实验基础，而且对加深材料高速蒸发机理和高速沉积下材料生长机理的理解、促进物理气相沉积技术的发展具有重要的意义。

大功率电子束物理气相沉积（EB-PVD）是一种先进的材料制备技术，它具有不存在比重偏析问题、微结构可控和沉积速率高的优点，适合制备具有特殊微观结构的电接触复合材料。而且与机械合金化工艺相比，该工艺工序少，成本低。本项目原计划采用EB-PVD制备铜/石墨电接触复合材料，但实际研究中发现碳的沉积速率太低，即使采用“热池”（即在碳靶表面加难熔金属钼）的方法来提高碳的蒸发速率，碳蒸发速率仍不高，且制备的材料变为具有优异力学性能和电性能的纳米碳化钼颗粒增强铜基复合材料。该材料抗拉强度为486MPa，导电率为82%IACS。此材料由平均宽度7μm的柱状晶组成，柱状晶内由厚度约为0.5μm的细小层状结构组成，Mo2C颗粒分布均匀，尺寸为1-7nm。进一步，本项目采用EB-PVD制备了Cu/Mo-Ti层状复合材料，发现通过引入宏观层状结构，可以减小柱状晶的晶粒宽度，提高材料的力学性能。采用EB-PVD制备了钼颗粒弥散增强铜基复合材料，发现钼含量增加，材料的力学性能和电阻率都增加，其铜基体仍有柱状晶组成且柱状晶宽度减小，第二相颗粒尺寸增加，但平均尺寸小于10nm，强化机理以Orwan强化机制为主。另外，本项目针对柱状晶内存在微层状微观结构提出了形成机理，建立了相关方程，并对碳化钼的形成机理进行了探讨。本项目的研究为制备电接触材料提供了一种新的制备工艺，并为开发高性能的电接触复合材料提供了相关的理论和实验基础，促进了物理气相沉积的发展。