中文摘要
题 目 纳米掺杂SnO2/Cu纳米复合材料的制备 摘要： 采用溶胶-凝胶法制备了TiO2掺杂纳米SnO2粉体，利用湿法混合将纳米粉体与电解铜粉混合均匀，并结合粉末冶金技术制备了SnO2/Cu 纳米复合材料。研究表明采用溶胶-凝胶法制备出的纳米掺杂SnO2颗粒尺寸约15nm左右。XRD分析表明Ti4+已经掺入了SnO2的晶格中，成功实现了TiO2对SnO2的纳米掺杂，并使SnO2 衍射峰轻微右移。SnO2/Cu 纳米复合材料微观观察表明纳米SnO2在Cu基体中呈良好弥散状态分布，无明显团聚现象。性能检测表明随着纳米SnO2含量的增加，复合材料电导率下降，而硬度增加；TiO2掺杂使复合材料的硬度、电导率均提高；复压复烧、冷变形工艺使得材料的密度、硬度和电导率均增加。 关键词： 铜基纳米复合材料 溶胶-凝胶 粉末冶金 纳米掺杂 i
外文摘要
Title Fabrication of a nano-doped SnO/Cu nano-composite 2 Abstract Nano-SnO2 powders doped by TiO2 were fabricated via a sol-gel technique in the present study. Nano-SnO2 and Cu powders were mixed homogeneously by a wet method, followed by the fabrication of SnO2/Cu composite via a powder metallurgy method. Investigations indicated that the resultant nano-SnO2 powders were about 15nm in size. XRD analysis showed that Ti4+ had entered the crystal lattices of SnO2 particles successfully, and as a consequence, diffraction peaks of SnO2 shifted to high degrees slightly. Microscopic observation of SnO2/Cu nano-composite indicated that nano-SnO2 particles distributed homogeneously in Cu matrix, i.e. agglomeration of nano-SnO2 was not obvious. Performance tests showed that increasing the mass fraction of SnO2 resulted in decreased electrical conductivity but increased hardness, while both the doping of TiO2 and the techniques of repressing and re-sintering as well as cold deformation leaded to increased electrical conductivity and hardness. Keywords：Cu-based nano-composite sol-gel powder metallurgy nano-dopant
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目 次
1 引言????????????????????????????? 1 1.1 颗粒弥散强化铜基复合材料???????????????????? 1 1.2 常用增强相粒子的种类、特征及SnO2颗粒的性能及应用????????? 3 1.3 溶胶凝胶法制备掺杂纳米材料??????????????????? 6 1.4 粉末冶金工艺?????????????????????????? 7 1.5 本研究工作内容及意义?????????????????????? 8 2 实验所用材料、设备及实验方法???????????????????? 8 2.1 实验原材料??????????????????????????? 8 2.2 实验仪器及设备????????????????????????? 10 2.3 实验方法???????????????????????????? 11 2.4 材料的性能测试及微观组织观察?????????????????? 15 3 实验结果及讨论?????????????????????????? 15 3.1 复合纳米粉前驱体DSC分析???????????????????? 15 3.2 不同温度处理后TiO2掺杂SnO2纳米粉X射线衍射分析????????? 17 3.3 TiO2掺杂SnO2纳米粉的观察???????????????????? 18 3.4 掺杂与未掺杂的SnO2 XRD分析??????????????????? 18 3.5 采用湿法混合的复合粉体微观形貌观察??????????????? 20 3.6 复合材料显微组织及性能分析??????????????????? 20 结论???????????????????????????????? 32 参考文献?????????????????????????????? 33 致谢???????????????????????????????? 35
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1 引言
现代各个领域的迅速发展，对材料性能的要求也更为苛刻，单一成分的材料已经不能满足工业生产的需要。复合材料应运而生，复合材料是由两种或多种性质不同的材料通过物理或化学的方法加以复合，组成具有两个或两个以上相态结构的材料[1]。通过材料的有机结合，利用各组分材料的优点，改善材料的性能或者开发出新的综合功能。例如航天技术和先进武器系统要求采用高比强度、高比刚度和轻质高性能结构材料，电子技术的迅速发展，对电子器件的集成度要求越来越高，功率也越来越大，器件的散热成为阻碍集成电路迅速发展的关键，需要热膨胀系数小、导热系数高的电子封装材料[2-4]。
在所有的金属中，铜的电导率仅次于银，但价格比银便宜得多，同时，铜具有很高的热导率，其良好的塑性变形能力也便于加工成型。但铜的强度较低，热膨胀系数大，使得铜的应用受到限制。经过研究发现，通过对铜基体进行强化和功能复合，既可以保持铜的高导电、导热性能，又改善了铜的强度、高温抗蠕变及抗磨等性能，使其满足电子、电器及导电相关行业对材料的要求 [2-5]。如在铜基体中加入强度高、耐磨耐高温的氧化铝颗粒，可以得到强度高、导电率高、耐热性好的复合材料。
1.1 颗粒弥散强化铜基复合材料
1.1.1 颗粒弥散强化铜基复合材料
颗粒弥散强化铜基复合材料是指在铜基体中人为地或通过一定的工艺原位生成弥散分布的第二相粒子，第二相粒子阻碍了位错运动，从而提高材料强度，如A12O3/Cu复合材料、TiB2/Cu复合材料。导电理论指出，固溶在铜基体中的原子引起的铜原子点阵畸变对电子的散射作用较第二相引起的散射作用要强得多，因此复合强化不会明显降低铜基体的导电性，而且由于强化材料的作用，还改善了基体的室温及高温性能，成为获得高强度、高导电铜材的主要手段[6]。弥散强化铜的物理性能与纯铜的非常相似, 它不但强度高, 电导率和热导率也高[7]。而且，长时间暴露于接近铜基体熔点的温度(800-900℃) 之下, 依然能保持很好的强度和传导性能，因此，使用温度范围很
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大。它可以用高温连接法，例如铜焊来制造零件，其强度不会丧失，还可以用于高温作业有关的各种用途。弥散强化铜的屈服强度和极限抗拉强度之比高，甚至退火后仍保有大部分屈服强度，退火可以提高铜合金的延性，但由于弥散强化铜的屈服强度保有率高，因此，在高传导性铜合金中，对于给定的延性值下，弥散强化铜的屈服强度最高。弥散强化铜的强度可与多种钢相媲美，而传导性却与铜相似，冷加工性能也很高[8-11]。基于上述优点弥散强化铜已成为一种重要的功能材料，已在汽车、电池、电子封装、微波器件等工业领域中得到了广泛的应用。 1.1.2 颗粒弥散强化铜基复合材料强化机理
颗粒弥散强化铜基复合材料中基体铜承担主要的载荷，而第二相为强化相，其作用在于阻止位错、晶界、亚晶界在基体铜中的运动，因此它的强度取决于分散粒子对基体中缺陷的阻碍能力[12]。其强化机理[13]主要有：
（1）奥罗万(Orowan)机理。按照Orowan机理，位错线不能直接超过第二相粒子，但在外力下，位错线可以环绕第二相粒子发生弯曲，最后在第二相粒子周围留下一个位错环而让位错通过。位错线的弯曲将会增加位错影响区的晶格畸变能，这就增加了位错线运动的阻力，使滑移抗力增大。
（2）位错强化。复合材料强度的提高归因于基体中位错密度的增加，增强体与基体热膨胀系数不匹配使得在材料制备过程中铜基体中位错密度增加，位错之间的相互作用是位错沿滑移面面的运动受到阻碍，从而增加了基体抵抗变形的能力。
（3）细晶强化。粉末冶金方法制备的复合材料，可以通过制备细小的金属粉末，烧结后得到细小的晶粒组织，此外细小的第二相弥散在金属粉末周围，烧结过程中阻碍晶界迁移，使得基体的晶粒细小。
1.1.3 影响弥散强化铜基复合材料导电性的因素
作为功能材料的非连续增强铜基复合材料，导电性能使其一项重要的物理性能指标。在提高材料强度的同时，往往伴随导电性能的降低。导电性与多种因素有关，对于金属基复合材料，电的传导是通过自由电子传输实现的，电子的定向传输会受到界面的散射而减弱。散射作用弱，电导率高，反之电导率低。影响其导电因素[14]：
（1）晶粒大小：由于晶界对电子的散射作用，晶粒度减小，晶界面积增加，材料电导率下降；
（2）点阵畸变：凡是能引起点阵畸变的因素均使复合材料电导率下降，如合金
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