Cr2AlC 颗粒增强 Cu 基复合材料的制备与性能表征

曾 舒，苏忠亮，周 健*

（厦门大学材料学院，福建厦门 361005）摘要：采用热压烧结方法制备以三元层状碳化物陶瓷 Cr2AlC 为增强相的 Cu-Cr2AlC 复合材料。利用 X 射线衍射（XRD）和光学显微镜研究复合材料的物相组成和组织形貌；利用维氏硬度仪和万能试验机测试其维氏硬度和拉伸力学性能；利用扫描电镜观察样品拉伸断口形貌。结果表明，当 Cr2AlC 的体积分数为 20%时增强效果最佳，屈服强度和拉伸强度分别达到 230 和 315 MPa；Cu 基体晶粒细化及增强颗粒与基体之间良好的界面结合是材料强化的主要原因。关键词：Cu-Cr2AlC 复合材料；显微结构；硬度；强度；形貌中图分类号：TB 333 文献标志码：A

金属 Cu 因具有良好的导电导热性、耐腐蚀性及机械加工性得到广泛应用。然而纯 Cu

的强度和硬度低，耐磨性差，且在高温下易发生变形，不能满足现代航空、航天、机械等领域对材料在硬度、强度及耐磨性等方面的要求 [1-4]。颗粒增强 Cu 基复合材料通过适量引入增强相可以显著提高金属 Cu 的力学性能，同时又不会明显降低其导电性能，从而成为Cu 基复合材料的研究热点 [5-9]。碳化物陶瓷 Cr2AlC 是三元层状化合物 MAX 相（也称Mn+1AXn相，其中 M 代表早期过渡金属元素，A 代表主族元素，X 代表 C 或 N 元素)中 211

相的典型代表，它同时具有陶瓷的高强度、高弹性模量、耐腐蚀及高温抗氧化性等特点以及金属的高热导率、高电导率等性能，是近年来受到广泛重视的一种新型化合物材料 [10-

16]。Sun 等[13]采用第一性原理计算方法研究了 M2AlC (M=Ti, Cr, V, Nb 和 Ta) 的体积模量和杨氏模量。结果表明 Cr2AlC 具有极高的体积模量、剪切模量和杨氏模量，是有应用潜力的新材料。目前已有一些关于 Cr2AlC 增强金属基复合材料的研究[15-16]。Gupta 等[15]研究了 Ag-

Cr2AlC 复合材料的磨擦磨损性能，但是未报道力学性能；对 Fe-Cr2AlC 复合材料的研究发

现[16]，由于 Fe 的熔点较高，所以热压温度较高，在制备复合材料过程中 Cr2AlC 完全分解。在 MAX 相增强 Cu 基复合材料的研究中发现 [7,9,17]，Cr2AlC 与金属 Cu 的热膨胀系数十分接近，而其他 MAX 族化合物与金属 Cu 的热膨胀系数差异较大。因此 Cr2AlC 可能是更好的Cu 基复合材料增强体。本实验制备了高纯度 Cr2AlC 粉体，然后用热压烧结法制备出 Cu-Cr2AlC 复合材料，测试其硬度、屈服强度、拉伸强度等力学性能，并对材料进行 XRD 表征、光学显微分析、扫描电子显微镜（SEM）断口扫描分析，研究 Cr2AlC 的加入量对 Cu-Cr2AlC 复合材料的显微结构和力学性能的影响，为进一步开发新型 Cu 基复合材料提供依据。

1 实验材料及方法采用无压烧结方法制备 Cr2AlC 陶瓷粉体，所用原料为 Cr 粉（粒径为 200 目，纯度大

于 99.95%），Al 粉（粒径为 200 目，纯度大于 99.5%）和石墨粉（粒径为 300 目，纯度大于 99.5%）。将 Cr 粉，Al 粉和石墨粉按摩尔比 2:1.1:1装入球磨罐中在球磨机上机械混合 6

h使其混合均匀，球磨机转速为 280 r/min，经烘干处理后装入刚玉管中，在管式炉中以 10

/min℃ 的升温速率加热至 1350 ℃并保温 0.5 h，在此过程中通入氩气作为保护气氛，之后样品随炉冷却至室温。反应完成后经研磨、过筛获得尺寸均匀的 Cr2AlC 粉末颗粒，其颗粒尺寸为 1～30 μm，纯度大于 97%[18]。

在金属 Cu 粉（粒径为 50 μm，纯度大于 99%）中加入 Cr2AlC 颗粒，使 Cr2AlC 的体积分数分别达到 5%，10%，15%，20%，30%（以下分别简称为 S-5，S-10，S-15，S-20，S-

30），经机械混合 12 h后得到混合均匀的 Cu/Cr2AlC 复合粉末。将这些粉末分别装入石墨模具中，在氩气气氛中进行热压烧结，热压烧结温度为 900 ℃，压力为 25 MPa，保温时间为 1 h。烧结完成后卸除压力并随炉冷却。为了对比实验结果，在同样工艺条件下制备了纯Cu 样品。

所制备复合材料及纯 Cu 样品的物相组成用 X 射线衍射(XRD)进行检测，Cr2AlC 在 Cu

基体中的分布和 Cu 基体晶粒尺寸用光学显微镜观察。在维氏硬度仪上测试样品的维氏硬度，所用载荷为 10 N；在万能试验机上进行拉伸力学性能实验，应变速率为 2×10-3 s-1。拉伸断口形貌通过 SEM进行观察。

2 结果与讨论2.1 物相与金相分析图 1 为各样品的 XRD谱图。当 Cr2AlC 的加入量大于 20%时，XRD图谱中出现了 AlCu

的衍射峰。这是因为在高温烧结时，Cr2AlC 中的 Al 原子扩散至 Cu 基体中生成了 AlCu 相[10,19]。

(a)纯 Cu; (b)~(f)依次为 S-5,S-10,S-15,S-20,S-30.

图 1 纯 Cu 及复合材料样品的 XRD谱图Fig.1 XRD patterns of the pure Cu and composites

图 2 是纯 Cu 和 Cu-Cr2AlC 复合材料的金相照片。从图 2(a)中可以看出，纯 Cu 样品中有一些均匀分布的密闭气孔，而在图 2(b)~(e)复合材料中可以观察到绝大部分 Cr2AlC 颗粒分布在 Cu 的晶界处，且当 Cr2AlC 体积分数较小（为 5%，10%及 15%）时，Cr2AlC 颗粒分布较为均匀（图 2(b)~(d)）；当体积分数增大至 30%，Cr2AlC 颗粒出现了团聚现象（图2(e)）。此外还可以看出，纯 Cu 中 Cu 的晶粒尺寸明显大于复合材料中 Cu 基体的晶粒尺寸，Cr2AlC 体积分数为 5%时使 Cu 基体晶粒的平均尺寸明显降低到约 6 μm，进一步增大Cr2AlC 的体积分数，Cu 基体的晶粒尺寸基本保持不变，表明 Cr2AlC 颗粒的加入可以起到晶粒细化的作用。纯 Cu 及复合材料中 Cu 基体的晶粒尺寸与 Cr2AlC 体积分数的关系如图2（f）所示。由于 Cr2AlC 颗粒的加入会阻碍铜晶粒在热压过程中的长大和晶界的迁移，且Cr2AlC 的存在会为 Cu 晶粒在温度较高时发生再结晶提供形核点，这些都有利于基体晶粒的细化，从而使 Cu 晶粒的尺寸维持在大约 6 μm，将对基体起到显著的增强作用。

图 2 纯 Cu(a)及 Cu-Cr2AlC 复合材料((b)S-5, (c) S-10, (d) S-15, (e) S-30)的金相组织及 Cu 基体的晶粒尺寸随 Cr2AlC 体积分数的变化关系(f)

Fig.2 Microstructures of pure Cu(a) and the samples (b) S-5, (c) S-10, (d) S-15, (e) S-30, and Grain size of

copper matrixversus the reinforcement volume content for the samples (f)

2.2 力学性能图 3（a）~（d）分别是 Cu-Cr2AlC 复合材料的维氏硬度、屈服 /抗拉强度、气孔率及

拉伸延伸率随 Cr2AlC 体积分数的变化关系。从图 3（a）可以看出 Cu-Cr2AlC 复合材料的维氏

硬度随着 Cr2AlC 体积分数的增加显著增加，当 Cr2AlC 体积分数为 30%时，复合材料的维氏硬度达到 220 HV，是纯 Cu 硬度 95 HV 的 2.3倍左右。这是由于 Cr2AlC 的加入使 Cu 基体的晶粒得到明显细化，起到细晶强化的作用，且复合材料中的 AlCu 相也会对 Cu 基体起到一定的强化作用[9,19]。 复合材料的屈服强度和抗拉强度随 Cr2AlC 体积分数的变化关系如图 3（b）所示。可以看出，Cr2AlC 的加入使得复合材料的强化效果非常显著，屈服强度和抗拉强度都随 Cr2AlC

体积分数的增加而增加。当 Cr2AlC 体积分数达 20%时，屈服强度和抗拉强度分别为 230 和315 MPa，分别是纯 Cu 的 2.8倍和 1.7倍。当 Cr2AlC 体积分数达到 30%时，复合材料的屈服强度和抗拉强度反而下降。材料在受到拉应力时，少量的增强相可以起到弥散强化的作

用，但是继续增加 Cr2AlC 的体积分数，其颗粒的团聚会造成复合材料气孔率的增加（如图

3（c）所示），这些气孔会对材料的力学性能产生不利影响，从而导致材料的强度下降。 Zhang

等[7]

关于 Cu-Ti3AlC2 复合材料的研究中，屈服强度和抗拉强度最高值分别为 260 和 280MPa，而Wu 等[9] 关于 Cu-Ti2SnC 复合材料的研究中，屈服强度和抗拉强度为 227 和 360 MPa。从图3(d)的拉伸延伸率与 Cr2AlC 体积分数的关系可以看出，随着 Cr2AlC 体积分数的增加，Cu-

Cr2AlC 复合材料的拉伸延伸率逐渐降低，表明其塑性逐渐降低。通过对 Cu-Cr2AlC 复合材料力学性能的分析表明，在金属 Cu 中加入 Cr2AlC 颗粒可以

达到明显的增强效果，其中 Cr2AlC 体积分数为 20%的 Cu-Cr2AlC 复合材料具有最佳屈服强度和抗拉强度，同时拉伸延伸率也保持在 11.2%的良好水平。

（a）维氏硬度，（b）强度，（c）气孔率，（d）延伸率图 3 材料的力学性能随 Cr2AlC 体积分数的变化关系

Fig.3 Mechanical properties versus the reinforcement volume content for the samples

图 4 是纯 Cu 和 Cu-Cr2AlC 复合材料的断口形貌。从图 4（a）纯 Cu 材料的断裂表面可以观察到较深的韧窝以及撕裂棱，表明纯 Cu 的断裂形貌为典型的塑性断口形貌。在体积分数为 5%的 Cu-Cr2AlC 复合材料的断口上（图 4（b））分布的韧窝已经开始变浅且形状变得不规则，在韧窝的底部是 Cr2AlC 增强颗粒，此外还出现一些较小的孔洞，这表明随着Cr2AlC 体积含量的增加，复合材料断口的形貌已逐渐转变为脆性断裂特征，弥散分布的Cr2AlC 颗粒有效地阻碍了 Cu 基体的塑性变形从而提高了复合材料的强度。图 4（c）中体积分数为 10%的 Cu-Cr2AlC 复合材料的断口上观察到的韧窝尺寸比含 5%体积分数 Cr2AlC

的复合材料的小，而体积分数为 20%的 Cu-Cr2AlC 复合材料的断口呈现出 Cu 基体塑性变形的韧窝和较大的 Cr2AlC脆性断裂的特征，表明 Cu 基体与增强颗粒之间有着强的界面结合，这是复合材料被强化的原因之一。进一步增加 Cr2AlC 的含量（图 4（f）），断口形貌主要呈现 Cr2AlC 颗粒脆性断裂的特征，并且在复合材料的界面上可以观察到明显的裂纹。Cr2AlC 颗粒的添加造成 Cu 基体致密度降低，而 Cr2AlC 颗粒团聚导致界面裂纹的存在，从而降低了 Cu-Cr2AlC 复合材料的塑性，并导致了复合材料的增强效果并没有随 Cr2AlC 体积分数的增加而进一步增加。

(a)纯 Cu；(b)~(f)依次为 S-5,S-10,S-15,S-20,S-30

图 4 纯 Cu 及 Cu-Cr2AlC 复合材料的拉伸断口形貌Fig.4 SEM images of the tensile fracture surface morphology for pure Cu and Cu-Cr2AlC composites

3 结 论1）Cr2AlC 颗粒能有效增强 Cu，复合材料的维氏硬度、强度等都随着 Cr2AlC 体积分

数的增加而增加。当 Cr2AlC 体积分数为 20%时，增强效果最佳，屈服强度和拉伸强度分别达 230 和 315 MPa，分别是相同工艺条件下纯 Cu 材料的 2.8倍和 1.7倍，并保持 11.2%的良

好拉伸延伸率。2）Cu-Cr2AlC 复合材料的强化主要是由于 Cu 基体的晶粒细化和基体与 Cr2AlC 颗粒之

间强的界面结合引起的。

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Fabrication and Mechanical Properties of

Cu-Cr2AlC Composites

ZENG Shu，SU Zhong-liang，ZHOU Jian

(College of Materials, Xiamen University, Xiamen 361005, China)

Abstract:Cu-Cr2AlC composites reinforced by layered ternary carbide Cr2AlC ceramic were

fabricated by hot pressing method. The phase compositions, microstructures of the synthesized

composites were characterized by X-ray diffraction (XRD) and optical microscope. The Vickers

hardness and tensile properties were tested by the Vickers and Universal Testing Machine. The

results indicate that the Vickers hardness, yield strength and tensile strength were enhanced

significantly by Cr2AlC particles. The composites’ yield strength and tensile strength reach up to

231 MPa and 315 MPa with the optimum volume fraction 20% reinforcement. The grain

refinement of Cu matrix and an excellent interfacial bonding between the reinforcement and the

matrix contribute to the strengthening.

Key words: Cu-Cr2AlC composites; microstructure; hardness; strength; morphology