负膨胀CaMn7O12颗粒增强铜基复合材料界面设计及热膨胀系数稳定性研究

Materials with low thermal expansion and high thermal conductivity have broad application, but it is difficult to gain both of the properties. Metal matrix composite reinforced by negative thermal expansion reinforcement provides an effective method to solve the problem. This study takes advantage of CaMn7O12 ceramic as reinforcement which presents negative characteristic in a wide temperature range, which has hope of achieving low thermal expansion composites as well as excellent comprehensive properties. Designing of interface microstructure can tailor the thermal mismatch stresses in the composites, and then regulate the phase transformation characteristic of the CaMn7O12 particles in the composite and obtain corresponding composites with low thermal expansion in a wide temperature range. The effect of interface coating sorts and contents on thermal mismatch stresses in CaMn7O12/Cu composites will be studies. The influence rule and mechanism of thermal mismatch stresses on phase transformation of CaMn7O12 particles will be explored and established. The relationship between phase transformation characteristics of CaMn7O12 particles and the thermal expansion behavior of the composite will be clearly illuminated. The effect of thermal cycles on phase transformation of the CaMn7O12 particles in the composites and the heat stabilities of composite thermal expansion will be revealed. Designing thought and theoretical foundation for designing copper matrix composites with low thermal expansion and high thermal conductivity will be provided. This project has guiding significance for designing novel metal matrix composite and illuminating the effect of interface designing on ceramic particle phase transformation in the composite.

具有低膨胀和高热导性能的材料具有广泛应用，但二者难以兼顾，通过具有负膨胀特性的增强体设计金属基复合材料是解决这一困难的有效途径。本研究利用在宽温域展现出负膨胀特性的非本征铁电体CaMn7O12陶瓷作为复合材料增强体，以期获得优异综合性能的低膨胀铜基复合材料。通过设计不同界面区组织来调控复合材料中的热错配应力；进而设计复合材料中CaMn7O12陶瓷颗粒的相变特性并获得宽温域低膨胀复合材料。研究界面组织结构对CaMn7O12陶瓷增强铜基复合材料中热错配应力的作用，探索和建立复合材料中热错配应力对陶瓷颗粒相变的影响规律和机制，阐明陶瓷颗粒相变特性与复合材料热膨胀行为之间的关联，揭示热循环对陶瓷颗粒相变及复合材料热膨胀系数稳定性的影响规律。为设计具有低膨胀高热导性能的铜基复合材料提供设计思路和理论依据。本研究对设计新型金属基复合材料和阐明复合材料中界面设计对陶瓷颗粒相变特性的影响具有指导意义。

本研究设计利用非本征铁电陶瓷CaMn7O12作为增强体，通过粉末冶金方法成功获得了铜基复合材料。利用陶瓷相变时宽温域负膨胀效应，在复合材料中获得了低膨胀性能。.通过固相合成法成功制备了成分准确的CaMn7O12陶瓷（CMO），进一步利用放电等离子体烧结方法成功制备了致密的CMO/Cu复合材料，CMO陶瓷颗粒在基体Cu材料中分布较为均匀，颗粒分散性良好。通过XRF、XRD等方法阐明了制备过程及热错配应力作用下，CaMn7O12陶瓷的相结构，通过升温XRD阐明了复合材料中CaMn7O12相变行为。在高温高压作用下，CaMn7O12陶瓷易分解为含Mn氧化物结构。CMO陶瓷的加入有效降低了复合材料的热膨胀系数，随着增强体体积分数的增加，复合材料的工程热膨胀系数减小。在室温至250℃温度区间内，体积分数为55%的CMO/Cu复合材料平均工程热膨胀系数约为11×10-6 ℃-1。此外，体积分数为55%的CMO/Cu复合材料压缩强度可达990.51 MPa。.基于复合材料中复合应力作用等条件，研究了A位掺杂、B位掺杂及A-B位共掺杂对具有ABO3钙钛矿结构的铁电陶瓷的电学性能的影响。提出并实现了通过Li+-La3+共掺改善BaTiO3陶瓷压电性能和温度稳定性的方法。通过Mn掺杂改善了钛酸铋钠-钛酸钡陶瓷应变特性，在60 kV/cm电场下，5 mol.‰Mn掺杂的0.7NBT-0.3ST陶瓷的应变可达0.32%，应变滞后仅为28%。通过溶胶凝胶法制备了成分不同的NBT-KBT-BT材料体系，当BT相的含量超过4%时，长程序的铁电相结构改变，导致铁电-弛豫相相变温度的降低。因此在外场50 kV/cm条件下，应变达到了0.3%，因此归一化应变Smax/Emax达到了600 pm/V。该部分研究为复合材料中陶瓷增强体相变行为分析，复合材料性能的分析提供理论依据与指导。.针对高强高导铜基材料在新能源汽车、特种电机等领域的重大需求，研究了石墨烯/铜基复合材料的制备方法和性能。提出了基于热解甲酸铜和α-萘酚的原位自生石墨烯/铜基复合材料制备方法，研究了复合材料界面结构对力学性能的影响，阐明了复合材料轧制变形过程中结构及性能的演化机制。该部分工作为铜基复合材料的微结构与力学性能设计，复合材料变形处理提供理论依据与指导。