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教育部【設(shè)備更新】島津SEM-SERVO在纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料疲勞破壞研究中的應(yīng)用

閱讀：340 發(fā)布時間：2024-7-9

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本文使用島津SEM SERVO帶掃描電子顯微鏡的高溫原位疲勞試驗機(jī)實時觀察記錄裂紋擴(kuò)展長度，基于非線性彈性斷裂力學(xué)通過公式計算材料的J積分，并轉(zhuǎn)換為與J積分相對應(yīng)的有效應(yīng)力強(qiáng)度因子評價材料的斷裂韌性。

Electrical contact materials are generally Ag- or Cu-based composites and play a critical role in ensuring the reliability and efficiency of electrical equipments and electronic instruments. The MAX phase ceramics display a unique combination of properties and may serve as an ideal reinforcement phase for electrical contact materials. The biological materials evolved in Nature generally exhibit 3-D interpenetrating-phase architectures, which may offer useful inspiration for the architectural design of electrical contact materials. Here, a series of bi-continuous Ag-Ti3SiC2 MAX phase composites with high ceramic contents exceeding 50 vol.% and having micron- and ultrafine-scaled 3-D interpenetrating-phase architectures, wherein both constituents were continuous and mutually interspersed, were exploited by pressureless infiltration of Ag melt into partially sintered Ti3SiC2 scaffolds. The mechanical and electrical properties as well as the friction and wear performance of the composites were investigated and revealed to be closely dependent on the ceramic contents and characteristic structural dimensions. The composites exhibited a good combination of properties with high hardness over 2.3 GPa, high flexural strength exceeding 530 MPa, decent fracture toughness over 10 MPa m1/2, and good wear resistance with low wear rate at an order of 10-5 mm3/(N·m), which were much superior compared to the counterparts made by powder metallurgy methods. In particular, the hardness, electrical conductivity, strength, and fracture toughness of the composites demonstrated a simultaneous improvement as the structure was refined from micron- to ultrafine-scales at equivalent ceramic contents. The good combination of properties along with the facile processing route makes the Ag-Ti3SiC2 3-D interpenetrating-phase composites appealing for electrical contact applications.

電接觸材料廣泛應(yīng)用于電氣開關(guān)、功率繼電器等電子電氣設(shè)備，在開關(guān)電路、傳導(dǎo)電流和承載等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，對于保障電子儀器和電氣設(shè)備的安全可靠與高效運(yùn)行至關(guān)重要。電接觸材料需要具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性、良好的力學(xué)性能，以及高耐磨性和抗電弧侵蝕性能。常用的電接觸材料通常是由導(dǎo)電金屬銅或銀與一種或多種增強(qiáng)相組成的復(fù)合材料，其中銅或銀提供導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，而增強(qiáng)相提供硬度、強(qiáng)度、耐磨性和抗電弧侵蝕性能。相比于銅基復(fù)合材料，銀基電接觸材料具有電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率高、接觸電阻小、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點。商用銀基電接觸材料的增強(qiáng)相主要包括金屬（如鎢、鎳、鈦）和陶瓷（如氧化錫、氧化鎘、氧化鋅）兩大類。MAX相陶瓷具有共價鍵、金屬鍵、離子鍵等混合鍵合狀態(tài)，兼具金屬和陶瓷的優(yōu)異特性，并且與銀之間具有良好的潤濕性，有望作為銀基電接觸材料的理想增強(qiáng)相。目前已報道的Ag-MAX相復(fù)合材料大多采用粉末冶金法（熱壓燒結(jié)或放電等離子燒結(jié)等）制備而成，材料中的MAX相分散在銀基體中，難以避免孔洞、雜質(zhì)等缺陷，并且材料的微觀結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步優(yōu)化控制，性能亟待提升。與之相比，自然界經(jīng)長期進(jìn)化形成的生物材料往往表現(xiàn)出微觀三維互穿結(jié)構(gòu)，各組元均保持連續(xù)并且在三維空間相互穿插，該結(jié)構(gòu)被證實可有效保留組元的性能優(yōu)勢，并促進(jìn)組元間應(yīng)力傳導(dǎo)，提升復(fù)合材料的損傷容限。生物材料的巧妙結(jié)構(gòu)可為高性能Ag-MAX相電接觸材料研制提供有益的啟示。

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圖1 新型Ag-MAX相三維互穿金屬陶瓷復(fù)合材料的宏觀形貌、微觀結(jié)構(gòu)及其性能與其他材料的比較

如圖1所示，中國科學(xué)院金屬研究所劉增乾研究組從生物材料中廣泛存在的三維互穿結(jié)構(gòu)獲得靈感，利用Ag與Ti3SiC2 MAX陶瓷之間良好的潤濕性，將Ag熔體無壓浸滲到預(yù)燒結(jié)成型的Ti3SiC2多孔骨架中，研制了一系列具有微米和超細(xì)尺度的高陶瓷含量（>50 vol.%）新型耐磨Ag-MAX相三維互穿金屬陶瓷復(fù)合電接觸材料。連續(xù)的陶瓷相可起到高效的強(qiáng)化作用，連續(xù)的Ag相可提供連續(xù)的電荷傳輸路徑，Ag和陶瓷在三維空間的相互穿插與機(jī)械互鎖可促進(jìn)相間應(yīng)力傳導(dǎo)，并限制各自相內(nèi)部及兩相界面處的損傷演化，而MAX相陶瓷的自潤滑性質(zhì)及其與Ag之間的強(qiáng)界面結(jié)合可有效減輕磨損和磨屑剝落。

圖示

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圖2 Ag-Ti3SiC2復(fù)合材料的力學(xué)和電學(xué)性能。微米和超細(xì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的（a）維氏硬度、（b）電導(dǎo)率、（c）彎曲強(qiáng)度和（d）斷裂韌性隨陶瓷含量的變化

如圖2所示，復(fù)合材料表現(xiàn)出超過2.3 GPa的高硬度、超過530 MPa的高彎曲強(qiáng)度、超過10 MPa·m1/2的良好斷裂韌性，以及10-5 mm3/(N·m)量級的低磨損速率，并且隨著三維互穿結(jié)構(gòu)從微米細(xì)化到超細(xì)尺度，材料的硬度、強(qiáng)度、電導(dǎo)率和斷裂韌性得以同步提升。優(yōu)異的綜合性能以及簡便的制備工藝使得新型耐磨Ag-MAX相三維互穿金屬陶瓷復(fù)合材料在電接觸領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢，同時本工作提出的結(jié)構(gòu)設(shè)計策略，即以MAX相陶瓷作為增強(qiáng)相、構(gòu)筑微觀三維互穿結(jié)構(gòu)、將結(jié)構(gòu)細(xì)化到超細(xì)尺度，有望擴(kuò)展應(yīng)用于新型高性能復(fù)合材料研發(fā)。

課題組通過自主設(shè)計夾具，改變加載方式，使用島津SEM SERVO帶掃描電子顯微鏡的高溫原位疲勞試驗機(jī)實時觀察記錄裂紋擴(kuò)展長度，基于非線性彈性斷裂力學(xué)通過公式計算材料的J積分，并轉(zhuǎn)換為與J積分相對應(yīng)的有效應(yīng)力強(qiáng)度因子評價材料的斷裂韌性，研究人員得到高韌性和高損傷容限的復(fù)合材料。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Nano Research, Materials Today, Communications Materials等期刊。

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