D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.02.030 第29卷第2期 北京科技大学学报 Vol.29 No.2 2007年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feh.2007 纳米ZrO2晶型对铜基复合材料界面的影响 丁 俭赵乃勤师春生李家俊 天津大学材料科学与工程学院，天津300072 摘要采用原位化学工艺制备了Zr0z/Cu纳米复合粉末，用粉末治金法制备了纳米ZrO2/Cu复合材料.通过TEM观察发 现，氧化锆呈单斜和四方两种晶型，不同晶体形态的氧化锆颗粒与铜基体之间具有不同的界面特征·通过Ays分析软件对 不同形态即不同晶型氧化锆与铜基体的界面进行应力模拟分析，结果发现单斜晶型氧化锆的尖端部位很容易产生应力集中， 且比四方晶型氧化锆界面处更容易产生裂纹· 关键词铜基复合材料：纳米氧化结：原位：界面 分类号TB333 高强度高导电铜基复合材料是一类综合性能优 分布 良的新型功能材料，它既具有优良的导电性，又具有 高的强度和优越的高温性能习).随着机械和电子 1材料的制备和实验方法 工业的发展，对这类高强度和高导电复合材料的需 首先将摩尔分数3%的Y203经盐酸溶解后再 求越来越迫切，主要应用于集成电路的引线框架、各 加入乙醇水溶液（醇水体积比为2：1），加入一定量 种点焊电极③]、触头材料、电动工具的换向器、电气 的Zr0Cl2·8H20后再加入少量分散剂PEG均匀. 机车的架空导线等要求高强度、高电导率的场 滴定氨水至pH9.0,生成Zr(OH)4、Y(OH)3混合 合[阿].氧化锆的高温热稳定性最好，而热膨张又 胶状沉淀，沉淀一段时间后（大于6h),再加入一定 与金属材料较为接近，成为重要的金属基复合材料 量的Cu(NO3)23H20,并充分搅拌混合，将所得混 的增强相1.早在20世纪70年代英国Johnson 合物加热干燥后于500℃椴烧，生成Cu0一Zr02混 Matthey公司就报道了采用氧化锆制备的氧化锆/ 合粉，再经过650℃氢气还原，得到CuZr02混合 铂复合材料及其室温物理性能和力学性能、高温力 粉，该混合粉在模具中经过500MPa室温初压后， 学性能，在工业中的应用实例和所取得的经济效 再在真空下经过900℃、1.5h烧结，1GPa室温复压 益. 得到质量分数3%的Zx02/Cu复合材料. 对复合材料而言，增强物和基体之间界面的物 采用RIGAKV D/max2500V/PC型X射线分 理和化学特性对其性能起着核心作用]，金属基复 析仪（采用CuKa靶材，波长入=0.154056nm,步长 合材料力学性能的好坏取决于基体和增强相之间的 0.02°，电压为40kV,电流为50mA,扫描范围10~ 界面结合状况，为了获得高强度的材料，其界面结 90°)，对复合材料及质量分数36%的浓硝酸萃取出 构的优化和稳定是基体和增强相性能能否充分发 来的氧化锆粉末的物相和晶型进行分析，通过 挥，获得最佳综合性能的关健90].由于纳米氧化 PHILPS公司生产的TECNAI G2F20场发射透射 锆不同于一般尺寸的氧化锆，它与基体间的界面更 电子显微镜观察ZrOz增强相在Cu基体中的分布 为复杂，因此深入研究和掌握其界面反应和界面结 情况、不同晶型ZrO2形貌、Cu晶粒与ZrO2颗粒的 合状态对铜基复合材料的研究具有重要意义， 界面结合状况 本文以纳米氧化锆为增强相，采用原位化学工 艺制备了ZrO2、Cu纳米复合粉末，并采用粉末冶金 2实验结果与分析 法制备了Zx02/Cu纳米复合材料，观察分析了不同 2.1从复合材料中萃取出氧化锆粉体的XRD分析 晶型纳米氧化锆的形态和界面结合特征以及其应力 通过原位化学工艺制备的复合材料和通过浓硝 收稿日期：2006-09-12修回日期：2006-11-12 酸萃取复合材料得到的氧化锆粉体的XRD分析如 基金项目：天津市基础研究重点资助项目(No.05YFZC01900) 图1所示.由图中可以看出，通过原位化学工艺获 作者简介：丁俭(1977-)，女，博士研究生；赵乃勤(1961一)，教 得了Zr02/Cu复合材料（图1(a).对复合材料中增 授，博士纳米 ZrO2 晶型对铜基复合材料界面的影响 丁 俭 赵乃勤 师春生 李家俊 天津大学材料科学与工程学院‚天津300072 摘 要 采用原位化学工艺制备了 ZrO2／Cu 纳米复合粉末‚用粉末冶金法制备了纳米 ZrO2／Cu 复合材料．通过 T EM 观察发 现‚氧化锆呈单斜和四方两种晶型‚不同晶体形态的氧化锆颗粒与铜基体之间具有不同的界面特征．通过 Ansys 分析软件对 不同形态即不同晶型氧化锆与铜基体的界面进行应力模拟分析‚结果发现单斜晶型氧化锆的尖端部位很容易产生应力集中‚ 且比四方晶型氧化锆界面处更容易产生裂纹． 关键词 铜基复合材料；纳米氧化锆；原位；界面 分类号 TB333 收稿日期：20060912 修回日期：20061112 基金项目：天津市基础研究重点资助项目（No．05YFJZJCO1900） 作者简介：丁 俭（1977—）‚女‚博士研究生；赵乃勤（1961—）‚教 授‚博士 高强度高导电铜基复合材料是一类综合性能优 良的新型功能材料‚它既具有优良的导电性‚又具有 高的强度和优越的高温性能［1—2］．随着机械和电子 工业的发展‚对这类高强度和高导电复合材料的需 求越来越迫切‚主要应用于集成电路的引线框架、各 种点焊电极［3］、触头材料、电动工具的换向器、电气 机车的架空导线等要求高强度、高电导率的场 合［4—5］．氧化锆的高温热稳定性最好‚而热膨胀又 与金属材料较为接近‚成为重要的金属基复合材料 的增强相［6］．早在20世纪70年代英国 Johnson Matthey 公司就报道了采用氧化锆制备的氧化锆／ 铂复合材料及其室温物理性能和力学性能、高温力 学性能‚在工业中的应用实例和所取得的经济效 益［7］． 对复合材料而言‚增强物和基体之间界面的物 理和化学特性对其性能起着核心作用［8］．金属基复 合材料力学性能的好坏取决于基体和增强相之间的 界面结合状况．为了获得高强度的材料‚其界面结 构的优化和稳定是基体和增强相性能能否充分发 挥‚获得最佳综合性能的关键［9—10］．由于纳米氧化 锆不同于一般尺寸的氧化锆‚它与基体间的界面更 为复杂‚因此深入研究和掌握其界面反应和界面结 合状态对铜基复合材料的研究具有重要意义． 本文以纳米氧化锆为增强相‚采用原位化学工 艺制备了 ZrO2、Cu 纳米复合粉末‚并采用粉末冶金 法制备了 ZrO2／Cu 纳米复合材料．观察分析了不同 晶型纳米氧化锆的形态和界面结合特征以及其应力 分布． 1 材料的制备和实验方法 首先将摩尔分数3％的 Y2O3 经盐酸溶解后再 加入乙醇水溶液（醇水体积比为2∶1）‚加入一定量 的ZrOCl2·8H2O 后再加入少量分散剂 PEG 均匀． 滴定氨水至 pH＞9∙0‚生成 Zr（OH）4、Y（OH）3 混合 胶状沉淀．沉淀一段时间后（大于6h）‚再加入一定 量的 Cu（NO3）2·3H2O‚并充分搅拌混合‚将所得混 合物加热干燥后于500℃煅烧‚生成 CuO—ZrO2 混 合粉‚再经过650℃氢气还原‚得到 Cu—ZrO2 混合 粉．该混合粉在模具中经过500MPa 室温初压后‚ 再在真空下经过900℃、1∙5h 烧结‚1GPa 室温复压 得到质量分数3％的 ZrO2／Cu 复合材料． 采用 RIGAKV D／max 2500V／PC 型 X 射线分 析仪（采用 Cu Kα靶材‚波长λ＝0∙154056nm‚步长 0∙02°‚电压为40kV‚电流为50mA‚扫描范围10～ 90°）‚对复合材料及质量分数36％的浓硝酸萃取出 来的氧化锆粉末的物相和晶型进行分析．通过 PHILPS 公司生产的 TECNAI G 2 F20场发射透射 电子显微镜观察 ZrO2 增强相在 Cu 基体中的分布 情况、不同晶型 ZrO2 形貌、Cu 晶粒与 ZrO2 颗粒的 界面结合状况． 2 实验结果与分析 2∙1 从复合材料中萃取出氧化锆粉体的 XRD 分析 通过原位化学工艺制备的复合材料和通过浓硝 酸萃取复合材料得到的氧化锆粉体的 XRD 分析如 图1所示．由图中可以看出‚通过原位化学工艺获 得了 ZrO2／Cu 复合材料（图1（a））．对复合材料中增 第29卷 第2期 2007年 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．2 Feb．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．02．030