ABO3铁电陶瓷颗粒增强铜基复合材料的热膨胀性能及其与铁电颗粒相变的关联行为与机制

The negative thermal expansion can be achieved in some ABO3 perovskite ferroelectric ceramics when the ferroelectric-paraelectric phase transition takes place near Curie temperature. In the present study, the ABO3 ceramic particles with negative thermal expansion will be employed to design the thermal expansion properties of the particles reinforced copper matrix composite, in order to obtain a copper matrix composite with excellent combination properties. The ideal of the proposal is on the basis of following points of view: one is the Curie temperature and phase transformation behaviors of ABO3 ferroelectric can be controlled through the element doping; and the other is the phase transformations are very sensitive to stress, so the phase transformation can be further designed by the evolvement of thermal mismatch stress on heating/cooling of the composite. On the basis of Sr-doping to BaTO3 and Nb- and Mg-codoping to PbTiO3 for the adjustment of phase transformation behaviors of ferroelectric particles, in the present study, the coupling behaviors and mechanism of particle phase transformation and thermal mismatch stress in the copper matrix composite will be studied. In addition, the effects of particle phase transformation on the coefficient of thermal expansion of the composite will be also investigated. According to both experimental and theoretical studies, the correlation and mechanisms of particle phase transformation and composite thermal expansion will be revealed, for the design of new copper matrix composite with lower thermal expansion and high thermal conduction. The results given the present study are significant for developing of new metal matrix composite and the understanding ferroelectric ceramics phase transformation.

某些ABO3钙钛矿型铁电陶瓷在居里温度附近发生铁电-顺电相变，并伴随负的热膨胀效应，本研究利用该种负膨胀效应设计ABO3陶瓷颗粒增强铜基复合材料的热膨胀性能，以期获得综合性能优良的铜基复合材料。本研究的出发点主要有两个方面，一是ABO3铁电陶瓷的相变温度（居里温度）和相变弥散性可以通过掺杂调控；二是ABO3铁电陶瓷的相变对应力敏感，可以利用升降温的热错配应力演化进一步设计陶瓷颗粒的相变特性。本项目拟在通过Sr掺杂BaTiO3及Nb和Mg共掺杂PbTiO3调控铁电陶瓷相变特性的基础上，研究铜基复合材料中铁电颗粒相变与热错配应力的耦合行为与机制，探讨铁电陶瓷颗粒相变对复合材料热膨胀系数的影响规律。综合实验研究与理论分析，建立陶瓷颗粒相变和复合材料热膨胀之间的关联模型与机制，为设计新型低膨胀高热导铜基复合材料提供依据。本研究对设计新型金属基复合材料和阐明铁电陶瓷相变具有指导意义。

低膨胀材料在电子封装、热沉材料、精密仪器等领域具有广泛应用。本研究设计并采用具有ABO3钙钛矿结构的铁电陶瓷作为增强体，通过粉末冶金方法获得铜基复合材料，充分利用陶瓷发生铁电顺电相变时发生的巨大的负膨胀效应降低复合材料的热膨胀系数。通过不同烧结工艺，陶瓷颗粒表面涂层处理，制备了具有不同微观组织和界面状态的钛酸锶钡(SBT)增强铜基复合材料(SBT/Cu)。在对复合材料的微观组织、热物理性能、复合材料内陶瓷相变行为、复合材料内应力状态的测试和分析基础上，深入地分析了复合材料热物理性能与陶瓷相变行为及应力状态之间的关系。.SBT/Cu复合材料和PbTiO3/Cu复合材料具有较低的热膨胀系数，300°C退火4小时工艺处理后Sr0.2Ba0.8TiO3/Cu复合材料在50°C至300°C之间的平均工程热膨胀系数为6.02×10-6/°C。PbTiO3/Cu复合材料从室温至350°C可以获得平稳的热膨胀系数。NiO和Cu2O界面涂层的引入可以降低复合材料中残余热错配应力，调控陶瓷颗粒的相变行为，进而降低复合材料热膨胀系数。由于复合材料中热错配应力的作用，SBT/Cu复合材料中SBT陶瓷相变的温度区间被拓宽，相变发生在一个较宽的温度区间范围内。.此外，本研究通过掺杂等方法在ABO3钙钛矿结构铁电陶瓷中引入应力场，系统地研究了应力场对陶瓷相变特性及电学性能的影响规律与机制。利用固相合成法合成A位施主-受主(Li+-Al3+)共掺杂的BaTiO3与Pb(Zr,Ti)O3体系陶瓷，探讨掺杂、应力场对陶瓷相变行为及电学性能影响的原因。X射线衍射(XRD)结果表明Li+与Al3+有占据同一单胞的相邻A位，在[001]pc方向择优取向排列的趋势。掺杂后陶瓷的相变温度稳定性大幅提高，这是离子对导致应力场钉扎电畴作用的体现利用Landau-Ginzburg-Devonshire理论分析了掺杂应力对T相的BaTiO3、PZT陶瓷和R相的PZT陶瓷中铁电-顺电相的势垒高度的影响，研究表明应力使得T相陶瓷的势垒高度明显降低，但对R相陶瓷的势垒高度几乎没有影响，基于唯象理论解释了该种掺杂提高压电性能的原因-应力诱导自由能曲面平坦化。应力与相变耦合关系的研究结果为陶瓷相变对复合材料热膨胀性能的影响规律与机制研究提供了理论基础。