Pesquisa sobre as propriedades do compósito CuCrZr/CuAlCrFeNi2,5
Contexto
Os materiais à base de cobre (Cu) são amplamente utilizados nos setores de energia, transporte e novas fontes de energia devido à sua excelente condutividade elétrica. No entanto, o cobre puro possui resistência relativamente baixa (menos de 100 MPa), e os métodos tradicionais de reforço (como o reforço por solução sólida) costumam causar grave distorção da rede cristalina, o que leva a uma dispersão significativa de elétrons e, consequentemente, reduz consideravelmente a condutividade elétrica.
As ligas de cobre, como Cu-Cr-Zr e Cu-Ni-Si, embora possam aumentar a resistência por meio do fortalecimento por solução sólida ou por precipitação, têm dificuldade em atingir níveis extremamente elevados de resistência.
A liga de cobre reforçada com partículas cerâmicas apresenta alta dureza, mas sua molhabilidade em relação à matriz metálica é baixa, o que resulta em uma ligação fraca na interface e em uma perda significativa de condutividade.
Os compósitos CuCrZr/CuAlCrFeNi2,5 apresentam resistência extremamente elevada, excelente estabilidade térmica e boa compatibilidade com metais. O CuAlCrFeNi2,5 foi projetado como fase de reforço, e o cobre nele contido contribui para a formação de uma boa ligação metalúrgica com a matriz.
Processos experimentais
O processo de preparação do material composto combina tecnologias de atomização a gás, moagem mecânica com esferas e sinterização por plasma de descarga.
Matéria-prima:
Matriz: Pó da liga TRUER CuCrZr com distribuição granulométrica de 15 a 53 μm.
Composição química do pó de CuCrZr:
N.º do lote TRUER: 20250628-Y4
O pó 20 wt.% CuAlCrFeNi2.5, com tamanho de partícula de 0 a 25 μm, apresenta uma estrutura bifásica composta por FCC e BCC.
Foto de SEM de Pós de CuCrZr/CuAlCrFeNi2,5：
Processo de moagem com esferas:
Velocidade de rotação: 250 rpm; relação esferas/material: 10:1; duração: 5 horas. A moagem com esferas faz com que a matriz sofra deformação plástica e encapsule as partículas da fase de reforço.
Sinterização por plasma de descarga (SPS):
A pressão é mantida em 600 MPa, e a faixa de temperatura de sinterização varia de 633 K a 843 K (com um gradiente de 30 K), com um tempo de manutenção de 10 minutos. Essa tecnologia é vantajosa para manter uma estrutura cristalina ultrafina em condições de baixa temperatura e alta pressão.
Análise de microestrutura
A influência da temperatura de sinterização na densidade
À medida que a temperatura de sinterização aumenta, a densidade do material composto melhora significativamente.
| Temperatura de sinterização. (K) | Densidade (g/cm3) | Densidade relativa (%) |
| 633 | 8.08 | 95.1% |
| 693 | 8.36 | 98.4% |
| 723 | 8.43 | 99.2% |
| 843 | 8.47 | 99.7% |
Nota: A 723 K, a densidade relativa ultrapassa 99%, indicando a entrada na fase de sinterização densa.
Transformação de fase e evolução dos grãos
Composição de fases: A análise por difração de raios X (XRD) confirmou que a matriz era de Cu e que a fase de reforço continha a fase B2 e a fase FCC. À medida que a temperatura aumentava, a precipitação de Al-Ni intensificava os picos de difração da fase B2.
Tamanho do grão: Embora o aumento da temperatura leve ao crescimento dos grãos, devido ao efeito inibidor das partículas de precipitação e ao rápido processo de SPS, os grãos ainda permanecem na escala nanométrica/micrométrica. A 633 K, o tamanho médio dos grãos é de 210 nm, e aumenta para 840 nm a 843 K.
Propriedades mecânicas e mecanismos de reforço
O limite de escoamento (YS) e a resistência à compressão (UCS) do material compósito apresentam uma tendência de primeiro aumentar e depois diminuir com a temperatura, à medida que a temperatura de sinterização aumenta.
Comportamento de fratura
Apresenta uma característica de fratura mista, combinando tenacidade e fragilidade, com boa aderência na interface, mantendo o equilíbrio entre resistência e plasticidade a 723 K.
As fissuras se originam diretamente na fase da liga de cobre, e não na interface, o que indica uma força de ligação interfacial extremamente forte.
Conclusão
Este estudo demonstra que, ao otimizar a temperatura de sinterização (723 K) e combinar a engenharia estrutural de ligas multicomponentes, é possível fabricar materiais compostos à base de cobre com resistência extremamente alta (limite de escoamento de 850 MPa) e excelente condutividade elétrica (40% IACS). O projeto dos compósitos CuCrZr/CuAlCrFeNi2.5 fornece uma importante base científica para o desenvolvimento de materiais de contato elétrico de alto desempenho da próxima geração.
