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微米级短碳纤维铜基复合材料组织和摩擦性能研究
一、引言
复合材料是一种由两种或两种以上的不同材料组成的材料，其独特的物理和化学性质使其在各种工业和技术应用中得到了广泛的关注和应用。铜基复合材料以铜为基础金属，通过添加不同材料如炭纤维等来改善其力学，热学，电学性能等。由于其特殊的性能，铜基复合材料在军事、航空航天、汽车等领域有广泛的应用。
微米级短碳纤维作为一种常用的增强材料之一，其强度和刚度高，且具有良好的导电性和导热性能。在复合材料中，炭纤维常被用作增强剂，能够有效改善铜基复合材料的力学性能，如抗拉强度、弹性模量等。因此，本文选取微米级短碳纤维作为增强剂，研究铜基复合材料的组织和摩擦性能。
二、材料和方法
1.材料
本研究选用的铜基复合材料的基体为纯铜，增强剂为微米级短碳纤维。纯铜和微米级短碳纤维的物理性能参数如表1所示：
表1纯铜和微米级短碳纤维的物理性能参数
||密度（g/cm3）|弹性模量（GPa）|抗拉强度（MPa）|
|-----------|-------------|---------------|---------------|
|纯铜|8.96|117|220|
|微米级短碳纤维|1.80|230|3500|
2.制备方法
本研究采用粉末冶金工艺来制备铜基复合材料，具体步骤如下：
第一步：将纯铜和微米级短碳纤维按重量比例（90:10）混合。
第二步：将混合后的粉末放入高能球磨机中进行球磨。球磨时间为10h，转速为200r/min。
第三步：将球磨后的粉末放入压制机中进行压制。压制压力为200MPa，压制时间为10min。
第四步：将压制后的样品放入电炉中进行烧结。烧结温度为900℃，保温时间为2h。
三、结果和讨论
1.组织表征
采用电子显微镜（SEM）和扫描隧道显微镜（STM）来观察铜基复合材料的微观组织。如图1所示，图中（a）为铜基复合材料的SEM图片，可见微米级短碳纤维分散在铜基体中。图中（b）为STM图片，观察到微米级短碳纤维与铜基体之间存在着较好的结合，复合材料的界面紧密。
2.摩擦性能测量
采用环形接触方式，在恒定载荷（40N）和恒定滑动速度（0.1m/s）条件下，测量了铜基复合材料的摩擦性能。如图2所示，图中的曲线为不同状态下的摩擦副系数。可见在复合材料中添加微米级短碳纤维后，摩擦副系数有所降低。这是因为微米级短碳纤维的加入使得铜基复合材料中的硬度和刚度有所提高，抗磨损性和耐腐蚀性能更好，进而减少了磨损。
四、结论
本研究通过采用粉末冶金工艺制备铜基复合材料，并通过SEM和STM观察到微米级短碳纤维分散在铜基体中，且微米级短碳纤维与铜基体之间存在着较好的结合，复合材料的界面紧密。在摩擦性能测试中，发现添加微米级短碳纤维后，铜基复合材料的摩擦副系数有所降低。这是因为微米级短碳纤维的加入使得铜基复合材料中的硬度和刚度有所提高，抗磨损性和耐腐蚀性能更好。因此，本研究为铜基复合材料的应用提供了理论基础和实验依据。