مشخصه يابي كامپوزيت مس زيركونياي پايدار شده با ايتريا توليد شده با تف‌جوشي پلاسماي جرقه اي

Characterization of Cu-Yttria Stabilized Zirconia composite produced by Spark Plasma Sintering

دركاربردهایی مانند اتصالات الكتریكی كشویی، علاوه بر خواص مكانیكی قابل قبول به هدایت الكتریكی و حرارتی خوب نیاز است. گذشته از این، در این نوع كاربردها باید از جوش موضعی قسمت‌های مختلف قطعه جلوگیری شود. اگرچه افزودن ذرات سرامیكی به فلز هادی الكتریكی و حرارتی همچون مس موجب كاهش خواص فیزیكی فوق می‌شود، تولید كامپوزیت‌های زمینه مسی بهبود استحكام كششی، مقاومت سایشی و مقاومت در برابر جریان الكتریكی با آمپر بالا را در پی دارد. از این رو، در پژوهش حاضر كامپوزیت‌های پایه مس حاوی 2، 3 و 5 درصد حجمی ذرات فوق ریزدانه زیركونیای پایدار شده با ایتریا با استفاده از روش متالورژی پودر و تف‌جوشی پلاسمای جرقه‌ای تولید شد. چگونگی توزیع ذرات تقویت‌كننده در ریز ساختار با استفاده از میكروسكوپ الكترونی به دقت مطالعه شد. مقادیر چگالی و سختی برینل اندازه‌گیری و هدایت حرارتی نمونه‌ها تعیین شد. بر اساس نتایج، ذرات تقویت‌كننده 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 سرامیكی سخت زیركونیای پایدار شده، افزایش 60 درصدی در سختی برینل نمونه‌‌ی كامپوزیتی Cu-5 vol.% YSZ نسبت به نمونه مس تقویت‌نشده مشاهده شد. همچنین، با افزایش مقدار زیركونیای پایدار شده از صفر به 5 درصد حجمی، مقادیر هدایت حرارتی تعیین شده از 397 به W/m K 241 كاهش یافت كه این تغییرات می‌تواند به مشخصه‌های ریزساختاری از جمله درصد فاز تقویت‌كننده، درصد تخلخل، وجود ناخالصی‌ها و سایر عیوب ریزساختاری مربوط باشد.

In applications like sliding electrical contacts good electrical/thermal conductivity as well as wear resistance is required besides suitable mechanical properties. Furthermore, in these types of applications it is necessary to be prevented from local welding of various parts of pieces to each other. Although the addition of ceramic particles to a conductive metal like copper can lead to decrease of above mentioned physical properties, the producing of copper matrix composites can induce high tensile strength, better wear resistance, and resistance to electrical current with high amperage improvement. Hence, at the present study, the copper based composites containing 2, 3 and 5 vol. % ultra-fine grained yttria stabilized zirconia (YSZ) particles were produced by powder metallurgy and spark plasma sintering (SPS) method. The distribution of reinforcing particles at the microstructure was carefully studied using electron microscopy. Additionally, the density, hardness and thermal conductivity values of the specimens were measured. Referring to the results, microstructural analysis showed satisfactorily distribution of reinforcement particles in copper matrix and the clustering of particles is not so noticeable. The relative density up to 95% for all specimens was obtained due to the sintering procedure. As a result of the presence of hard stabilized zirconia particles, an increase of 60 percent in the Brinell hardness of the Cu-5 vol.% YSZ composite sample was observed in comparison with unreinforced copper. Moreover, the determined thermal conductivity values decreased from 397 to 241 W/m K with increasing of reinforcement content from 0 to 5 vol. %. The variation in the thermal conductivities can be related to the microstructural characteristics such as reinforcement and porosity volume percent as well as other microstructural defects.