مشخصه یابی کامپوزیت مس زیرکونیای پایدار شده با ایتریا تولید شده با تف‌جوشی پلاسمای جرقه ای

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی و علم مواد، دانشگاه صنعتی شریف تهران، ایران

2 دانشکده مهندسی و علم مواد، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی تهران، ایران

چکیده

درکاربردهایی مانند اتصالات الکتریکی کشویی، علاوه بر خواص مکانیکی قابل قبول به هدایت الکتریکی و حرارتی خوب نیاز است. گذشته از این، در این نوع کاربردها باید از جوش موضعی قسمت‌های مختلف قطعه جلوگیری شود. اگرچه افزودن ذرات سرامیکی به فلز هادی الکتریکی و حرارتی همچون مس موجب کاهش خواص فیزیکی فوق می‌شود، تولید کامپوزیت‌های زمینه مسی بهبود استحکام کششی، مقاومت سایشی و مقاومت در برابر جریان الکتریکی با آمپر بالا را در پی دارد. از این رو، در پژوهش حاضر کامپوزیت‌های پایه مس حاوی 2، 3 و 5 درصد حجمی ذرات فوق ریزدانه زیرکونیای پایدار شده با ایتریا با استفاده از روش متالورژی پودر و تف‌جوشی پلاسمای جرقه‌ای تولید شد. چگونگی توزیع ذرات تقویت‌کننده در ریز ساختار با استفاده از میکروسکوپ الکترونی به دقت مطالعه شد. مقادیر چگالی و سختی برینل اندازه‌گیری و هدایت حرارتی نمونه‌ها تعیین شد. بر اساس نتایج، ذرات تقویت‌کننده به صورت قابل قبولی در زمینه توزیع شده‌اند و خوشه‌ای شدن ذرات در ریزساختار چندان فاحش نیست. چگالی نسبی بیشتر از 95% به علت نحوه تف‌جوشی برای همه نمونه‌ها بدست آمد. به دلیل حضور ذرات سرامیکی سخت زیرکونیای پایدار شده، افزایش 60 درصدی در سختی برینل نمونه‌‌ی کامپوزیتی Cu-5 vol.% YSZ نسبت به نمونه مس تقویت‌نشده مشاهده شد. همچنین، با افزایش مقدار زیرکونیای پایدار شده از صفر به 5 درصد حجمی، مقادیر هدایت حرارتی تعیین شده از 397 به W/m K 241 کاهش یافت که این تغییرات می‌تواند به مشخصه‌های ریزساختاری از جمله درصد فاز تقویت‌کننده، درصد تخلخل، وجود ناخالصی‌ها و سایر عیوب ریزساختاری مربوط باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]     M. R. Akbarpour, E. Salahi, F. Alikhani Hesari, E. Y. Yoon, S. H. Kim & A. Simchi, “Microstructural development and mechanical properties of nanostructured copper reinforced with SiC nanoparticles”, Materials Science and Engineering, Vol. 568A, pp. 33-39, 2013.

 

[2]     F. Akhtar, S. J. Askari, K. A. Shah, X. Du & Sh. Guo, “Microstructure, mechanical properties, electrical conductivity and wear behavior of high volume TiC reinforced Cu-matrix composites”, Materials Characterization, Vol. 60, pp. 327-336, 2009.

 

[3]     R. Ritasalo, X. W. Liua, O. Soderberg, A. Keski-Honkola, V. Pikanen & S. P. Hannula, “The Microstructural Effects on the Mechanical and Thermal Properties of Pulsed Electric Current Sintered Cu-Al2O3 Composites”, Procedia Engineering, Vol. 10, pp. 124-129, 2011.

 

[4]     ز. سید رئوفی، ح. ثقفیان و س. شبستری، " مطالعه و آنالیز فازی پودر نانوکامپوزیت Cu-Al2O3 ساخته شده با روش ترموشیمیایی"، فصلنامه علمی پژوهشی مهندسی مواد مجلسی، سال سوم، شماره سوم، پاییز 1388.

 

[5]     M. Abdullah, J. Ahmad, M. Mehmood, H. Waqas & M. Mjahid, “Effect of deflocculants on hardness and densification of YSZ–Al2O3 (whiskers & amp; particulates) composites”, Composites Part B: Engineering, Vol. 43, pp. 1564-1569, 2012.

 

[6]     D. Maeland, C. Suciu, I. Wearnhus & A.C. Hoffman, “Sintering of 4YSZ (ZrO2 + 4 mol% Y2O3) nanoceramics for solid oxide fuel cells (SOFCs), their structure and ionic conductivity”, Journal of the European Ceramic Society, Vol. 29, pp. 2537-2547, 2009.

 

[7]     C. L. Yang, H. I. Hsiang, & C. C. Chen, “Characteristics of yttria stabilized tetragonal zirconia powder used in optical fiber connector ferrule”, Ceramics International, Vol. 31, pp. 297-303, 2005.

 

[8]     B. V. M. Kumar, W. S. Kim, S. H. Hong, H. T. Bae & D. S. Lim, “Effect of grain size on wear behavior in Y-TZP ceramics”, Materials Science and Engineering, Vol. 527A, pp. 474-479, 2010.

 

[9]     J. Ding, N. Zhao, Ch. Shi, X. Du & J. Li, “In situ formation of Cu–ZrO2 composites by chemical routes”, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 425, pp. 390-394, 2006.

 

[10] G. Iepure, I. Vida-Simiti, N. Jumate, M. Ciudas, V. Hotea & I. Juhasz, “Effect of ZrO2 particles upon Cu-ZrO2 material used for the spot welding electrodes”, metalurgia international, Vol. 14, pp. 21-24, 2009.

 

[11] C. A. Leon, G. Rodriguez-Oritz, M. Nanko & E. A. Aguilar, “Pulsed electric current sintering of Cu matrix composites reinforced with plain and coated alumina powders”, Powder Technology, Vol. 252, pp. 1-7, 2014.

 

[12] K. Dash, B. C. Ray & D. Chaira, “Synthesis and characterization of copper–alumina metal matrix composite by conventional and spark plasma sintering”, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 516, pp. 78-84, 2012.

 

[13] M. R. Akbarpour, E. Salahi, F. Alikhani Hesari, A. Simchi & S. H. Kim, “Microstructure and compressibility of SiC nanoparticles reinforced Cu nanocomposite powders processed by high energy mechanical milling”, Ceramics International, Vol 40, pp. 951-96, 2014.

 

[14] S. F. Moustafa, Z. Abdel-Hamid & A. M. Abd-Elhay, “Copper matrix SiC and Al2O3 particulate composites by powder metallurgy technique”, Materials Letters, Vol. 53, pp. 244-249, 2002.

 

[15] F. Shehata, A. Fathy, M. Abdelhamid & S. F. Moustafa, “Preparation and properties of Al2O3 nanoparticle reinforced copper matrix composites by in situ processing”, Materials & Design, Vol. 30, pp. 2756-2762, 2009.

 

[16] I. Çelikyürek, N. O. Korpe, T. Olcer & R. Gurler, “Microstructure, Properties and Wear Behaviors of (Ni3Al)p Reinforced Cu Matrix Composites”, Journal of Materials Science & Technology, Vol. 27, pp. 937-943, 2011.

 

[17] R. Ritasalo, M. E. Cura, X. W. Liu, Y. Ge, T. Kosonen, U. Kanerva, O. Soderberg & S. P. Hannula, “Microstructural and mechanical characteristics of Cu–Cu2O composites compacted with pulsed electric current sintering and hot isostatic pressing”, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Vol. 45, pp. 61-69, 2013.

 

[18] B. R. Golla & B. Basu, “Spark Plasma Sintering of Nanoceramic Composites”, in Comprehensive Hard Materials, V.K. Sarin, Editor, Elsevier: Oxford, pp. 177-205, 2014.

 

[19] Z. H. Zhang, Z. F. Liu, J. F. Lu, X. B. Shen, F. C. Wang & Y. D. Wang, “The sintering mechanism in spark plasma sintering–Proof of the occurrence of spark discharge”, Scripta Materialia, Vol. 81, pp. 56-59, 2014.

 

[20] R. Orrù, R. Licheri, A. M. Locci, A. Cincotti & G. Cao, “Consolidation/synthesis of materials by electric current activated/assisted sintering”, Materials Science and Engineering, Reports, Vol. 63R, pp. 127-287, 2009.

 

[21] X. Tang, H. Zhang, D. Du, D. Qu, C. Hu, R. Xie & Y. Feng, “Fabrication of W–Cu functionally graded material by spark plasma sintering method”, International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, Vol. 42, pp. 193-199, 2014.

 

[22] W. Zein Eddine, P. Matteazzi & J. P. Celis, “Mechanical and tribological behavior of nanostructured copper–alumina cermets obtained by Pulsed Electric Current Sintering”, Vol. 297, pp. 762-773, 2013.

 

[23] R. Ritasalo, M. E. Cura, X. W. Liu, O. Soderberg, T. Ritvonen & S. P. Hannula, “Spark plasma sintering of submicron-sized Cu-powder Influence of processing parameters and powder oxidization on microstructure and mechanical properties”, Materials Science and Engineering, Vol. 527A, pp. 2733-2737, 2010.

 

[24] R. M. German, “Sintering: from emperical observations to scientific principals”, Butterworth-Heinemann, pp. 136, 2014.

 

[25] Z. H. Zhang, F. C. Fang, L. Wang & S. K. Li, “Ultrafine- grained copper prepared by spark plasma sintering process”, Materials Science and Engineering, Vol. 476A, pp. 201-205, 2008.

 

[26] A. G. Mawson, G. A. Carter, R. D. Hart, N. M. Kirby & A.C. Nachmann, “Mechanical Properties of 8 Mole% Yttria-Stabilised Zirconia for Solid Oxide Fuel Cells”, In Materials Forum. Vo. 30, pp. 148-158, 2006.

 

[27] M. R. Akbarpour, E. Salahi, F. Alikhani Hesari, S. H. Kim & A. Simchi, “Effect of nanoparticle content on the microstructural and mechanical properties of nano-SiC dispersed bulk ultrafine-grained Cu matrix composites”, Materials & Design, Vol. 52, pp. 881-887, 2013.

 

[28] S. C. Tjong, “Carbon nanotube reinforced composites: metal and ceramic matrices”, John Wiley & Sons, pp. 54-56, 2009.

 

[29] A. Fathy, F. Shehata, M. Abdolhameed & M. Elmahday, “Compressive and wear resistance of nanometric alumina reinforced copper matrix composites”, Materials & Design, Vol. 36, pp. 100-107, 2012.

 

[30]   ف. شجاعی­پور، پ. عباچی، ک. پورآذرنگ وا. ح. مغنیان، "بررسی خواص فیزیکی و مکانیکی نانوکامپوزیت مس/اکسید کروم تولید شده به روش آلیاژ سازی مکانیکی و اکسیداسیون داخلی"، فصلنامه علمی پژوهشی مهندسی مواد مجلسی، سال پنجم، شماره دوم، تابستان 1390.

 

[31] A. Fathy & O. El-Kady, “Thermal expansion and thermal conductivity characteristics of Cu–Al2O3 nanocomposites”, Materials & Design, Vol. 46, pp. 355-359, 2013.