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石墨镀Sn调控对石墨/Cu复合材料组织及力学性能的影响

王怡然 高义民 李烨飞 赵四勇 李梦婷

王怡然, 高义民, 李烨飞, 等. 石墨镀Sn调控对石墨/Cu复合材料组织及力学性能的影响[J]. 复合材料学报, 2020, 37(0): 1-10
引用本文: 王怡然, 高义民, 李烨飞, 等. 石墨镀Sn调控对石墨/Cu复合材料组织及力学性能的影响[J]. 复合材料学报, 2020, 37(0): 1-10
Yiran WANG, Yimin GAO, Yiefei LI, siyong ZHAO, Mengting LI. Effect of Sn modification on microstructure and mechanical properties of graphite/Cu composites[J]. Acta Materiae Compositae Sinica.
Citation: Yiran WANG, Yimin GAO, Yiefei LI, siyong ZHAO, Mengting LI. Effect of Sn modification on microstructure and mechanical properties of graphite/Cu composites[J]. Acta Materiae Compositae Sinica.

石墨镀Sn调控对石墨/Cu复合材料组织及力学性能的影响

基金项目: 广西创新驱动发展专项资金项目(桂科AA18242001)
详细信息
    通讯作者:

    王怡然,博士,讲师,研究方向为多尺度金属基复合材料的制备与结构功能一体化 E-mail:wangyiran@xjtu.edu.cn

  • 中图分类号: TB331

Effect of Sn modification on microstructure and mechanical properties of graphite/Cu composites

  • 摘要: 石墨/Cu自润滑材料具有良好的摩擦学性能和耐腐蚀性能,在高速铁路领域具有广阔的应用前景。传统石墨/Cu自润滑材料中由于石墨与基体不润湿,复合材料界面结合强度低,在材料承受载荷时容易造成石墨相的剥离、脱落,导致材料在高载荷服役条件下性能较差。采用化学镀覆工艺在石墨表面镀覆软金属Sn元素调控石墨/Cu复合材料界面,既能够改善复合材料材料组织,又改善了材料的力学性能,使材料满足服役条件。通过研究得出以下结论:通过石墨镀Sn调控技术,石墨/Cu复合材料的组织并无新相生成,复合材料界面处发生强烈的原子互扩散,材料界面由机械结合变成扩散结合。石墨/Cu复合材料的力学性能有显著提高,其中硬度平均提高80.43%,抗弯强度平均提高了246.74%;当石墨含量为6 wt%时,硬度提高至(83.61±4.33) HV,抗弯强度提高至(410.41±20.52) MPa,适应并满足材料在未来愈加严酷的工况环境下的服役需求。
  • 图  1  弯曲强度测试方法示意图

    Figure  1.  Schematic of bending strength test

    图  2  镀Sn石墨组织形貌

    Figure  2.  Microstructure of Sn coated graphite

    图  3  镀Sn石墨镀层界面微观结构

    Figure  3.  Interfacial microstructure of Sn coated graphite

    图  4  Sn调控石墨/Cu复合材料的SEM图像

    Figure  4.  SEM images of the Sn coated graphite/Cu composites

    图  5  Sn调控石墨/Cu复合材料EDS面扫描结果

    Figure  5.  EDS mapping results of Sn coated graphite/Cu composites

    图  6  S6试样XRD及界面EDS线扫描结果

    Figure  6.  XRD & interface EDS line results of S6 sample

    图  7  S6界面TEM明场像形貌

    Figure  7.  Interface TEM images of S6 sample

    图  8  Sn调控石墨/Cu复合材料力学性能

    Figure  8.  Mechanical properties of Sn coated graphite/Cu composites

    图  9  Sn调控石墨/Cu复合材料断口形貌

    Figure  9.  Fracture morphology of Sn coated graphite/Cu composites

    表  1  镀Sn石墨的化学镀液成分

    Table  1.   Composition of chemical plating solution of Sn coated graphite

    SnCl2HClThioureaPEG-6000HydroquinoneNaH2PO2
    Content30.0 g/L45.0 ml/L100.0 g/L2.0 g/L3.5 g/L80.0 g/L
    Note: PEG-6000—Polyethylene glycol-6000.
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    表  2  Sn调控石墨/Cu复合材料样品编号及成分

    Table  2.   Sample number & chemical composition of Sn coated graphite/Cu composites

    No.Sn coated graphite/wt%Ni/wt%Cu/wt%
    S1 1 8 Bal.
    S2 2
    S3 3
    S4 4
    S5 5
    S6 6
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    表  3  镀Sn石墨表面EDS点扫描结果

    Table  3.   EDS point results of Sn coated graphite

    PointC elementSn elementO element
    Mass fraction/wt%Atom fraction/at%Mass fraction/wt%Atom fraction/at%Mass fraction/wt%Atom fraction/at%
    1 13.8 37.7 64.4 17.8 21.8 44.5
    2 13.8 38.7 65.8 42.8 20.4 18.5
    3 14.2 55.5 81.7 32.3 4.1 12.2
    4 12.8 40.6 72.1 36.2 15.1 23.3
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    表  4  6wt%石墨含量的镀Cu、Ni、Ti、Ag、Sn调控石墨/Cu复合材料力学性能对比

    Table  4.   Comparison of mechanical properties of Cu, Ni, Ti, Ag, Sn modified graphite/Cu composites with 6 wt% content

    SampleHarness/HVFlexural strength/MPa
    Unmodified 38.93 95.27
    Cu modified 41.85 125.42
    Ni modified 45.25 137.14
    Ti modified 50.23 190.54
    Ag modified 59.25 275.19
    Sn modified 83.61 410.41
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  • 收稿日期:  2019-12-06
  • 录用日期:  2020-08-18

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