1、中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 74 SPS 制备 SiC/Cu 复合材料的耐腐蚀性能探究 冯圣尧 晏 亮 邹德波 郭 超 吕伟红 中国船舶集团有限公司第七一三研究所，河南 郑州 450015 摘要：摘要：使用放电等离子烧结工艺，以纯铜（Cu）为基体，碳化硅（SiC）为增强相制备了 SiC/Cu 复合材料，采用盐雾腐蚀方法研究了 SiC 含量对 SiC/Cu 复合材料耐腐蚀性能的影响。采用 SEM 对复合材料的表面形貌进行观察，并使用显微硬度仪、旋转摩擦试验仪对其腐蚀前后的力学性能进行了测试。结果表明:SiC 的加入能够提高样品的致密度，烧结制备的试样质量良好，平均致密度达到 96.3%
2、。SiC/Cu 复合材料的耐腐蚀性随着 SiC 的添加呈现先增加后下降的趋势，SiC 添加量为 7%时腐蚀速率最低为6.310 g/m-2h-1，相比于纯铜复合材料下降了 51.4%。此时硬度损失最低为 2.8%，磨损量增加值最低为 0.0107 mm3。盐雾腐蚀产物较为致密，与复合材料的结合良好，有效保护了复合材料表面，从而提高材料的耐腐蚀性能。关键词：关键词：SiC/Cu 复合材料；放电等离子烧结；磨损量；硬度；耐腐蚀 中图分类号：中图分类号：TQ116 0 引言 相较于单一金属基体，复合材料往往具备密度更低，强度更大，热稳定性更强，耐磨性更强等明显优势1。其中高性能铜合金具有高导电性、高
3、导热性、高耐蚀以及可镀性和易加工性等一系列优异性能，故其在国家安全、船舶海洋领域中具有重要地位2,3。然而我国各种高性能铜合金材料严重依赖进口，极大制约了相关领域的研究与发展4,5。研发先进铜合金材料，并且寻求其高效，低成本，短流程的制备方法对于促进我国船舶行业发展起着重要的支撑作用。放电等离子烧结（SPS）烧结时间短，升温速率高，致密化过程更加充分完全，能够有效改进传统烧结的缺点6,7。在此背景下，本文以 SPS 方法制备 SiC/Cu 复合材料，并在酸性盐雾环境下探究增强相含量对复合材料耐腐蚀性能的影响。1 试验材料及方法 选用高纯电解铜粉及碳化硅粉（纯度均为 99.9%）作为试验原料，其
4、中碳化硅粉粒径为 40m。将基体与增强相按不同比例在行星式球磨机中干磨 2h。后置于石墨模具中烧结制备试样，烧结温度为 800，升温速率为 100/min，保温时间为 7min，烧结过程中真空度控制在 1Pa 以下8。将所制备试样进行充分抛光后，观察其表面形貌，初步分析试样质量。随后对试样进行酸性盐雾腐蚀试验，测试其损失质量、腐蚀后形貌和损失力学性能，并对试验结果进行机理分析，试验流程如图 1 所示。图 1 试验流程 2 试验结果与讨论 2.1 试样质量分析 使用双束扫描电镜（型号为 Helios G4 CX）对不同增强相含量的复合材料试样表面进行观察，微观形 貌如图 2 所示。从中可以看出，
5、纯铜表面存在孔隙，且在抛光过程中划痕较为明显，而加入 SiC 颗粒后，孔隙逐渐减少。这是由于均匀分散的 SiC 颗粒与铜基体产生了大量结合面积，有效填充了复合材料内部孔隙，进而在烧结过程中达到更高的致密化程度9,10。使用阿基米德排水法测得试样的平均致密度为 96.3%，因此可以认为中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 75 SPS 烧结制备的试样质量较好，试验结果可信。（a）0 wt%；（b）5wt%；（c）6 wt%；（d）7 wt%；（e）8 wt%；（f）9 wt%图 2 不同 SiC 含量的 SiC/Cu 复合材料表面形貌 随后分别使用显微硬度计(型号为 HXD-1000TMC)和摩
6、擦磨损实验仪(型号为 MS-T3000)对试样进行了硬度及磨损量测试，以便与腐蚀后的状态进行性能对比。2.2 盐雾试验及结果 将不同 SiC 含量的试样放入烧杯中清洗，以去除表面污渍与杂质，烘干后放在精度为 0.001 g 的分析天平进行称量，记录各试样的初始质量。后参照盐雾实验的参数标准 GB/T10125-1997 进行试验，试验时间为 24h，试验参数如表 1 所示。表 1 盐雾试验参数 名称 参数 名称 参数 氯化钠浓度/gL-1 50 喷雾压力/MPa 0.2 PH 值 3 饱和桶温度/47 空气入口压力/MPa 0.3 沉降量/mlcm-2h-1 0.025 实验室温度/35 放置
7、角度/30 2.2.1 腐蚀形貌及分析 腐蚀后的样品宏观形貌如图 3 所示。从图中可以看出复合材料表面裸露部分较为粗糙，且颜色变深，整体呈深红色，伴随有肉眼可见的较浅腐蚀痕迹，这说明相较于腐蚀前的复合材料，经腐蚀后的复合材料表面存在氧化现象。表面覆盖部分主要为二水合氯化铜，性状表现为绿色，致密的薄膜11。该薄膜的化学性质稳定，且与复合材料表面的结合良好，能够保持内部基体不会继续受到盐雾的腐蚀。因此复合材料的腐蚀仅仅发生在表面。腐蚀类型以坑蚀为主，腐蚀面积大但腐蚀较浅。图 3 SiC 含量为 7%的试样腐蚀后的宏观形貌 不同 SiC 含量的 SiC/Cu 复合材料腐蚀后微观形貌如图 4 所示。从
8、图 4（a）中可以看到纯铜的腐蚀后表面在凹凸不平，腐蚀坑多且深，伴随有密集的裂纹，且裂纹尺寸较大，说明腐蚀现象较为严重。加入 SiC后，材料表面的裂纹情况明显得到了改善，且 SiC 颗粒表面光滑平整，说明其耐腐蚀性较强。SiC 含量为 5%-7%时，其颗粒的周围几乎没有凹坑存在，腐蚀后可见铜基体的晶粒，说明 SiC 的加入使得复合材料的晶间腐蚀现象增多。当 SiC 的含量超过 8%后，随着 SiC颗粒的密集，凹坑与裂纹数量均开始增多。图 4（f）中可以看到，由于 SiC 颗粒的密集，腐蚀凹坑出现了分层现象，且颗粒周围裂纹尺寸较大，说明此时结合不紧密，导致结合面发生了较为严重的腐蚀现象。（a）0
9、 wt%；（b）5wt%；（c）6 wt%；（d）7 wt%；（e）8 wt%；（f）9 wt%图 4 不同 SiC 含量的 SiC/Cu 复合材料腐蚀后形貌 中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 76 2.2.2 复合材料质量损失对比 对不同 SiC 含量的 SiC/Cu复合材料进行腐蚀速率计算，其结果如表 2 所示。从表 2 中可以看出，在同等试验条件下的试样，纯铜的腐蚀速率最大，随着 SiC含量的增大，试样腐蚀速率呈现先减小后增大的趋势，在添加SiC含量为7%时试样的腐蚀速率最低，为6.310 g/m-2 h-1，相比于纯铜试样，腐蚀速率下降了 51.4%。表 2 盐雾试验腐蚀速率测试结
10、果 SiC 含量（wt%）试样面积（m2）损失质量（g）腐蚀速率（g/m-2h-1)0 0.0007 0.218 12.976 5 0.0007 0.148 8.810 6 0.0007 0.137 8.155 7 0.0007 0.106 6.310 8 0.0007 0.113 6.726 9 0.0007 0.122 7.262 2.2.3 复合材料力学性能损失对比 对腐蚀后的试样再次进行硬度与磨损量测试，结果如图 5 和图 6 所示。从图 5 中可以看出，腐蚀后所有试样的硬度均有所下降，测得纯铜试样的硬度下降最为明显，其腐蚀后硬度为 50.9 HV，较之前的 61.6 HV 下降了 1
11、5.7%。加入 SiC 后，试样的硬度下降值明显减小，说明 SiC的加入使复合材料的耐腐蚀性显著提升。SiC 含量为 7%的复合材料硬度下降值最低，仅下降了 2.8%，当 SiC含量超过 8%时，硬度下降值反而增加。这是由于大尺寸 SiC 颗粒使得基体与增强相的结合面积减少，结合强度降低，复合材料内部孔隙增多。当腐蚀开始发生时，复合材料内孔隙加深了结合面被腐蚀的程度，从而使得复合材料表面 SiC 颗粒与铜基体的结合部分变得更加疏松，受载荷时发生的塌陷更加明显，表现为硬度下降值的增大，对应的耐腐蚀性减小12。图 5 腐蚀前后复合材料硬度变化值与 SiC 含量的关系 从图 6 中可以看出，腐蚀后所
12、有试样的磨损量均有所上升，随着 SiC 含量的提高，磨损量增加值逐渐下降，当 SiC 含量为 7%时，磨损量增加值最小，仅增加了 0.0107 mm3，当 SiC 含量超过 8%时，磨损量增加值反而增加。这是由于表面裸露的大量 SiC 颗粒使得复合材料表面脆化，腐蚀生成物与裸露面积较大的SiC颗粒均易因摩擦而脱落，表现为较高的磨损量，导致其差值增大。图 6 腐蚀前后复合材料磨损量变化值与 SiC 含量的关系 2.3 复合材料腐蚀机理分析 在 SiC/Cu 复合材料中，SiC 为半导体，且化学性质极为稳定，仅 Cu 为金属，故在酸性盐雾环境中并未生成原电池，仅通过化学反应产生腐蚀效果。在含有水和
13、二氧化碳的环境中，表面无氧化膜的铜基体部分与潮湿空气反应生成碱式碳酸铜（即铜绿），从而不再与盐雾中的氯离子反应，部分铜绿又与盐雾中的醋酸根离子反应，最终生成醋酸铜，性状为蓝绿色晶体。大部分裸露的铜基体与盐雾中的水合氯离子反应，铜失去电子变为一价或二价，其生成物包括二水合氯化铜与氯化亚铜。这些生成物均具有相当强的化学稳定性，生成一定量后覆盖在试样表面上能够有效保护铜基体不继续受腐蚀，因此腐蚀仅在表面发生13。在腐蚀开始时，若试样表面 SiC 颗粒分布较为均匀且与铜基体结合较好，则腐蚀面积减小，质量损失较少。与复合材料相比，纯铜试样的致密度较低，反应面积较大，使得酸性盐雾与潮湿的二氧化碳有小部分进
14、入试样内部，其反应产物填充了内部孔洞，使得试样产生膨胀，导致内部产生外方向应力，该应力有可能破坏生成物薄膜，使得试样表面再次出现裸露的铜基体，延长了腐蚀发生的时间，增加了质量损失14,15。3 结语 中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 77 本文研究了 SPS 制备 SiC/Cu 复合材料的耐腐蚀性能。通过对比不同 SiC 含量和制备工艺的样品，评估了其耐腐蚀性能。结果表明，随着 SiC 含量的增加，复合材料的耐腐蚀性能先提高后降低，最优含量为 7%。同时，SPS 制备工艺相比传统粉末冶金方法更有利于提高复合材料的耐腐蚀性能。总结来说，SPS 制备 SiC/Cu复合材料具有优异的耐腐蚀性能，
15、有望应用于高性能电子封装材料等领域。制备的复合材料试样质量较好，试样腐蚀表面以坑蚀为主，腐蚀坑多而浅，腐蚀产物较为致密，与复合材料的结合良好，能够有效保护复合材料表面，从而提高材料的耐腐蚀性能。参考文献 1张文毓.金属基复合材料的现状与发展J.装备机械,2017,160(02):79-83.2黄言涛,陈玉梅.浅析青铜材料的发展及其在造船工 业 上 的 应 用 与 发 展 前 景 J.世 界 有 色 金属,2016,452(08):105-108.3F Akhtar,SJ Askari,KA Shah,et al.Microstructure,mechanical properties,elec
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