بررسی اثر ذرات مس وآلومینا بر ویژگی‌های کامپوزیت‌ Cu-Al2O3

در این مطالعه به بررسی ویژگی‌های کامپوزیت‌ Cu-Al₂O₃ پرداخته شده است. کامپوزیت‌های بر پایه مس، از استحکام و پایداری حرارتی مناسبی برخوردار هستند که آن‌ها را برای استفاده در الکترودهای جوشکاری مقاومتی، قاب‌های پایه، شتاب‌دهنده‌ها و اتصال‌دهنده‌های الکتریکی  مناسب می‌سازد. برای به‌دست‌آوردن یک کامپوزیت عالی، نیاز به ذرات تقویت‌کننده اکسید در زمینه مس با توزیع همگن است.

برای به‌دست‌آوردن یک کامپوزیت عالی، نیاز به توزیع همگن و اندازه کوچک ذرات اکسید در زمینه مس است. روش مرسوم برای تولید پودر کامپوزیت اکسید فلز، روش اکسیداسیون داخلی است. یکی از عیوب اصلی اکسیداسیون داخلی، توزیع ناهمگن ذرات اکسید است که بر خصوصیات مکانیکی و الکتریکی کامپوزیت‌های اکسید فلزی تأثیر منفی می‌گذارد. روش‌های آلیاژسازی مکانیکی و انجماد سریع برای حل این مشکل پیشنهاد شده است. با این حال، به گفته برخی از نویسندگان، فرآیند اکسیداسیون داخلی موفق‌ترین و تکرارپذیرترین روش ساخت این دسته از کامپوزیت‌ها است.

بر اساس تحقیقات گذشته، کامپوزیت‌های تقویت‌شده با اکسید فلز مانند کامپوزیت‌ Cu-Al₂O₃، حتی پس از قرارگیری در دمای نزدیک به نقطه ذوب مس، به دلیل وجود ذرات تقویت‌کننده پایدار که مانع از حرکت مرزدانه‌ها می‌شوند، مقاومت بسیار خوبی را در برابر نرم‌شدن از خود نشان می‌دهند.

در این مطالعه، به منظور تولید کامپوزیت‌ Cu-Al₂O₃ از آسیاب‌کاری با انرژی بالا استفاده شده است. پودر مس پیش‌آلیاژی اتمیزه‌شده با گاز خنثی با متوسط اندازه ذرات 30 میکرومتر حاوی 2 درصد وزنی  Al(Cu-2wt.%Al) و مخلوط پودرهای مس الکترولیتی با متوسط اندازه ذرات 30 و 15 میکرومتر به همراه 4 درصد وزنی پودر تجاری اکسید آلومینیوم Al₂O₃ (Cu*-4wt.% Al₂O₃ و Cu-4wt.%Al) به عنوان مواد اولیه استفاده شده‌اند. آسیاب‌کاری پودرهای مس پیش آلیاژشده توسط اکسیداسیون داخلی با اکسیژن هوا، باعث تشکیل ذرات Al₂O₃ در اندازه نانو شده است. پودر کامپوزیت به‌دست‌آمده پس از  5 و 20 ساعت آسیاب‌کاری، تحت پرس گرم قرار گرفته و سپس به مدت 1 و 5 ساعت در معرض دمای بالا در گاز آرگون در دمای 800 درجه سانتیگراد قرار گرفتند.

اعوجاج شبکه پودرهای کامپوزیت Cu-Al₂O₃

شکل زیر اعوجاج شبکه پودرهای کامپوزیت‌ Cu-Al₂O₃ را نشان می‌دهد. اعوجاج شبکه در پودر کامپوزیت Cu-2wt.%Al تقویت‌شده با ذرات بسیار کوچک Al₂O₃ با افزایش زمان آسیاب افزایش می‌یابد، در حالی که کمترین اعوجاج شبکه ممکن است در مخلوط پودر Cu *-4wt.% Al₂O₃ دیده شود. مطابق شکل زیر، زمانی که اندازه ذرات پودرهای مس اولیه کوچکتر باشد، اعوجاج شبکه کاهش می‌یابد.

وجود ذرات Al₂O₃ در اندازه نانو، باعث افزایش اعوجاج شبکه می‌شود، یعنی ذرات Al₂O₃ بسیار کوچک (100 نانومتر) باعث ایجاد اعوجاج شبکه بیشتری نسبت به ذرات درشت (75/0 میکرومتر) می‌شوند.

مورفولوژی و ساختار پودرهای کامپوزیت Cu-Al₂O₃

شکل زیر، میکروگراف‌های SEM مورفولوژی پودرهای کامپوزیت Cu-Al₂O₃ را پس از 3 ساعت و 20 ساعت آسیاب‌کاری نشان می‌دهد. واضح است که پودرهای کامپوزیت بر پایه پودر و مخلوط‌های پیش‌آلیاژی، اندازه و مورفولوژی متفاوتی پس از 3 ساعت آسیاب‌کاری دارند (شکل‌های الف – ج). پودرهای کامپوزیت Cu-2wt.% Al (شکل الف) مسطح هستند، در حالی که پودرهای کامپوزیت Cu-4wt.% Al₂O₃ و Cu*-4wt.% Al₂O₃ گردتر هستند (شکل‌های ب و ج به ترتیب).

علاوه بر این، پودرهای کامپوزیت Cu-4wt.% Al₂O₃ از نظر اندازه بسیار متفاوت هستند. شکل مسطح پودرهای کامپوزیت Cu-2wt.% Al به دلیل وجود نانوذرات Al₂O₃ ناشی از اکسیداسیون داخلی است که مقاومت بالاتری نسبت به میکروذرات Al₂O₃ تجاری در ابتدای آسیاب‌کاری در برابر تغییر شکل پلاستیک قوی ایجاد می‌کنند.

در طول آسیاب‌کاری طولانی مدت 20 ساعته (شکل‌های د – و)، اندازه پودرهای کامپوزیت Cu-2wt.% Al (شکل د) به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌یابد و ذرات گردتر می‌شوند. از طرف دیگر، پودرهای کامپوزیت Cu-4 wt.% Al₂O₃ نیز دارای مورفولوژی مشابه است و افزایش اندازه ذرات مشاهده شد (شکل ه). به دلیل عدم تعادل فرآیندهای شکستگی و جوشکاری ذرات پودر در طول 20 ساعت آسیاب‌کاری، پودر کامپوزیت Cu-2wt.%Al و Cu-4wt.%Al₂O₃ دارای اندازه یکنواختی نیستند.

بر اساس نتایج SEM پودرهای کامپوزیت‌ Cu-Al₂O₃، اندازه ذرات مس اولیه و همچنین اندازه ذرات Al₂O₃ بر مورفولوژی و اندازه ذرات پودرهای کامپوزیت در طول آسیاب‌کاری تأثیر می‌گذارند.

شکل زیر (الف – د)، ریزساختار پودرهای کامپوزیت‌ Cu-Al₂O₃ را پس از  20 ساعت آسیاب‌کاری نشان می‌دهد. پودرهای کامپوزیت آسیاب‌شده، دارای ساختار لایه‌ای هستند. لایه‌ها، نمایانگر مس پیش‌آلیاژی اولیه با تغییر شکل پلاستیک (شکل الف) و ذرات پودر مس (شکل ب) هستند. در ساختار Cu*-4 wt.% Al₂O₃، لایه‌های پودر کامپوزیت به دلیل اندازه ذرات پودر بسیار کوچک قابل مشاهده نیستند (شکل ج). اعمال ساختار لایه‌ای بسیار ظریف با بزرگنمایی بالاتر را می‌توان در پودر کامپوزیت Cu*–4 wt.% Al₂O₃ تشخیص داد (شکل د).

تصاویر میکروسکوپ نوری پودرهای کامپوزیت‌ Cu-Al₂O₃ پس از 20 ساعت آسیاب‌کاری. (الف – ج) پودرهای کامپوزیت Cu–2 wt.%Al; Cu–4 wt.% Al₂O₃; Cu*–4 wt.% Al₂O₃. (د) میکروساختار SEM پودر کامپوزیت Cu*–4 wt.% Al₂O₃.

مطابق  شکل زیر، کامپوزیت‌ها ساختار لایه‌ای پودرهای کامپوزیت آسیاب‌کاری‌شده در شکل بالا را حفظ کردند. لایه‌ها در کامپوزیت Cu*-4 wt.% Al₂O₃ (شکل ج) در مقایسه با کامپوزیت‌های Cu-2 wt.% Al و Cu-4 wt.% Al₂O₃ (به ترتیب شکل‌های الف و ب)، بسیار ظریف‌تر است. نواحی که با فلش‌ در ریزساختار کامپوزیت‌های Cu-2wt.%Al، Cu-4wt.% Al₂O₃ و Cu*-4wt.% Al₂O₃ مشخص شده‌اند نشان‌دهنده تبلور مجدد در حین پرس گرم است.

تبلور مجدد در کامپوزیت Cu-2 wt.% Al در گوشه‌های پودرهای کامپوزیت آسیاب‌شده قبلی رخ داده است که در آن تنش غلظت اعمال‌شده در طول پرس بالاترین مقدار است. در کامپوزیت‌های Cu-4 wt.% Al₂O₃ و Cu*-4 wt.% Al₂O₃ نواحی تبلور مجدد، پودرهای آسیاب‌شده را در ابعاد مختلف احاطه کرده‌اند. تغییرات ریزساختاری کامپوزیت‌ها و همچنین موقعیت و میزان تبلور مجدد نتیجه اندازه متفاوت ذرات مس اولیه است.

میکروسختی و پایداری حرارتی پودرهای کامپوزیت‌ Cu-Al₂O₃

تاثیر زمان آسیاب‌کاری بر میکروسختی پودرهای کامپوزیت‌ Cu-Al₂O₃ در شکل زیر نشان داده شده است. میکروسختی کامپوزیت‌ها با افزایش زمان آسیاب‌کاری افزایش می‌یابد. میکروسختی کامپوزیت‌های Cu-4wt.% Al₂O₃ و Cu*-4wt.% Al₂O₃ به‌طور مداوم با افزایش زمان آسیاب‌کاری افزایش می‌یابد، به‌طوری که بزرگترین افزایش میکروسختی کامپوزیت Cu-2wt.%Al در طول 5 ساعت اول آسیاب‌کاری رخ داده و آسیاب‌کاری بیشتر منجر به تغییر ناچیز در میکروسختی این کامپوزیت شده است. حداکثر مقادیر میکروسختی کامپوزیت‌های  Cu*–4   wt.% Al₂O₃ ; Cu–4 wt.% Al₂O₃ ; Cu–2 wt.%Al  ناشی از 20 ساعت آسیاب‌کاری، به ترتیب 2350، 1730 و 1790 مگاپاسکال است.

مقدار میکروسختی کامپوزیت Cu-2wt.% Al بیشتر از میکروسختی سایر پودرهای کامپوزیت‌ Cu-Al₂O₃ است که این امر به دلیل تقویت‌کنندگی قوی‌تر نانوذرات Al₂O₃ در زمینه مس، نسبت به میکروذرات Al₂O₃ است. تفاوت در میکروسختی کامپوزیت‌های Cu-4wt.%Al₂O₃ و Cu*-4wt.%Al₂O₃، ناشی از تفاوت در اندازه کریستالیت پودرهای کامپوزیت آسیاب‌شده پرس‌شده است.