Properties of Pulsed Electric Current Sintered Copper and Copper Composites

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Hannula, Simo-Pekka, Prof., Aalto University, Department of Materials Science and Engineering, Finland
dc.contributor.author Ritasalo, Riina
dc.date.accessioned 2014-05-15T09:00:10Z
dc.date.available 2014-05-15T09:00:10Z
dc.date.issued 2014
dc.identifier.isbn 978-952-60-5655-5 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-5654-8 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/13045
dc.description.abstract This work focuses on the processing and properties of Cu-based materials by the non-conventional and innovative method of pulsed electric current sintering (PECS), also known as spark plasma sintering (SPS). In particular, the aim is to produce materials with fine microstructures and determine the relationships between the manufacturing and the resulting properties of the bulk compacts. This includes process optimization to provide dense samples with controlled microstructures, in terms of grain size and reinforcement distribution, as well as an investigation on the properties of the final materials. The mechanical, nanomechanical, thermal, electrical, and tribological properties are of main interest.  The experimental studies employed commercial and experimental powders and their mixtures as the starting materials for consolidation. The PECS process optimization yielded highly dense Cu and Cu-composite samples, mostly ranging between 97.0 and 99.7% of theoretical density (T.D.). Overall, the studied additives, their size, amount, and distribution in Cu matrixes resulted in a variety of influences on their properties. It was found that all the dispersoids decreased the tendency of grain growth during PECS process. Furthermore, a linear relationship between Cu and Cu2O grain growth was observed. Cu2O prevented grain growth of Cu, the effectiveness increasing up to about 20 vol% Cu2O remaining at the same level beyond that. The hindrance of Cu grain growth by Cu2O could be described by the cluster model of Flores. All of the reinforcements in the present study, such as Cu2O, Al2O3, TiB2 and nano/submicron-sized diamond (ND/SMD), were found to noticeably improve the micro-hardness compared to plain sm-Cu (submicron-sized copper). Large amount of small size reinforcements is the most effective. At best, these composites also resulted in improved thermal properties, moderate electrical conductivity, lower CoFs (coefficient of friction) and a reduced wear rate as compared to plain Cu. However, the properties greatly depended on the composite type and do not as such present general rules. The comparison between the PECS and HIP processes and the accompanied properties verified that the shorter time needed for proper densification by PECS resulted in finer grain structure and improved mechanical properties as compared to HIP. Overall, this study shows that PECS can be used to produce high quality Cu-composites with superior properties when compared to those of sm-Cu. On the whole, this research is supportive of the development of new alternative Cu-based materials for various applications, where enhanced thermal properties together with excellent mechanical properties are desired. en
dc.description.abstract Työn tavoitteena on määrittää kuparipohjaisten materiaalien ominaisuudet kiinteytettäessä niitä pulssitettua tasavirtaa hyödyntävällä sintraustekniikalla (PECS), tunnettu myös kipinäplasmasintraustekniikkana (SPS). Pyrkimyksenä on tuottaa materiaaliin hienojakoinen mikrorakenne ja ymmärtää ominaisuuksiin vaikuttavien prosessimuuttujien sekä niihin yhteydessä olevien materiaalikoostumuksien vaikutuksia. Tutkimuksessa optimoidaan prosessiparametreja tiiviiden ja mikrorakenteeltaan tasalaatuisten bulkkinäytteiden aikaansaamiseksi sekä määritetään niiden ominaisuuksia. Erityisesti tarkastellaan mekaanisia, nanomekaanisia, termisiä, sähköisiä ja tribologisia ominaisuuksia. Kiinteytyksessä lähtöaineina käytettiin sekä kaupallisia että kokeellisesti valmistettuja jauheita ja niiden kombinaatioita. Prosessioptimoinnin tuloksena saavutettiin teoreettiseen tiheyteen verratessa 97.0 - 99.7% tiiviitä kappaleita, joissa materiaaliominaisuuksiin vaikuttivat sekä lujitetyyppi ja -määrä että lujitepartikkeleiden koko ja jakauma. Kaikki lujitetyypit hidastivat kuparin rakeenkasvua PECS -prosessoinnissa. Lisäksi raekoon kasvu kuparin ja kupriitin (Cu2O) välillä noudatti lineaarista riippuvuutta. Cu2O:n raekoon kasvua kontrolloiva vaikutus kasvoi 20 til.% asti, säilyen samalla tasolla tämän jälkeen. Kuparin rakeenkasvu Cu2O:n vaikutuksesta voitiin mallintaa Florensin 'klustereihin' perustuvan mallin avulla. Kaikki lujitteet, ts. Cu2O, Al2O3, TiB2 sekä nano/submikronin kokoiset timanttipartikkelit, paransivat kovuutta verrattuna raekooltaan submikronin luokkaa olevaan puhtaaseen kupariin (sm-Cu). Kuten odotettua, pienempi koko ja suurempi lujitemäärä tehostivat vaikutusta. Parhaimmillaan lujitteet kohensivat sekä termisiä että tribologisia ominaisuuksia. Lisäksi sähköiset ominaisuudet säilyivät kohtuullisina. Ominaisuudet riippuivat kuitenkin merkittävästi lujitetyypistä. PECS -menetelmän avulla saavutettuja materiaaliominaisuuksia verrattiin HIP:n vastaaviin. Tulokset osoittivat, että tiiviiden kappaleiden aikaansaamiseksi HIP -menetelmällä vaadittiin pidempi aika, mikä johti merkittävämpään raekokoon kasvuun ja sen myötä heikompiin mekaanisiin ominaisuuksiin. Tutkimus osoittaa, että PECS -menetelmällä voidaan tuottaa laadukkaita Cu-komposiitteja, jotka ovat ominaisuuksiltaan selkeästi parempia kuin puhdas PECS kiinteytetty sm-Cu. Tutkittuja materiaaleja voidaan pitää huomioon otettavina vaihtoehtoina käyttökohteissa, joissa vaaditaan hyviä lämpöteknisiä ja kuparia parempia mekaanisia ominaisuuksia. fi
dc.format.extent 124 + app. 59
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 53/2014
dc.relation.haspart [Publication 1]: R. Ritasalo, M. E. Cura, X.W. Liu, O. Söderberg, T. Ritvonen, S-P. Hannula, Spark plasma sintering of submicron-sized Cu-powder - influence of processing parameters and powder oxidization on microstructure and mechanical properties, Materials Science & Engineering A, 527 (2010) 2733- 2737.
dc.relation.haspart [Publication 2]: R. Ritasalo, X.W. Liu, O. Söderberg, A. Keski-Honkola, V. Pitkänen, S-P. Hannula, The microstructural effects on the mechanical and thermal properties of pulsed electric current sintered Cu-Al2O3 composites, Procedia Engineering, 10 (2011) 124-129.
dc.relation.haspart [Publication 3]: R. Ritasalo, M.E. Cura, X.W. Liu, Y. Ge, T. Kosonen, U. Kanerva, O. Söderberg, S-P. Hannula, Microstructural and mechanical characteristics of Cu-Cu2O composites compacted with pulsed electric current sintering and hot isostatic pressing, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 45 (2013) 61-69.
dc.relation.haspart [Publication 4]: R. Ritasalo, U. Kanerva, Y. Ge, S-P. Hannula, Mechanical and thermal properties of pulsed electric current sintered (PECS) Cu-diamond -compacts, Metallurgical and Materials Transaction B, 45 (2) (2014) 489-496.
dc.relation.haspart [Publication 5]: R. Ritasalo, U. Kanerva and S-P. Hannula, Thermal stability of PECS - compacted Cu-composites, Key Engineering Materials, 527 (2013) 113-118.
dc.relation.haspart [Publication 6]: R. Ritasalo, M. Antonov, R. Veinthal, S-P. Hannula, Comparison of the wear and frictional properties of Cu matrix composites prepared by pulsed electric current sintering, Proceedings of the Estonian Academy of Sciences, 63 (1) (2014) 62-74.
dc.subject.other Materials science en
dc.subject.other Metallurgy en
dc.title Properties of Pulsed Electric Current Sintered Copper and Copper Composites en
dc.title PECS menetelmällä kiinteytettyjen kuparin ja kuparikomposiittien ominaisuudet fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Kemian tekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Chemical Technology en
dc.contributor.department Materiaalitekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Materials Science and Engineering en
dc.subject.keyword pulsed electric current sintering en
dc.subject.keyword copper en
dc.subject.keyword metallic matrix composites en
dc.subject.keyword microstructure en
dc.subject.keyword dispersion strengthening en
dc.subject.keyword mechanical properties en
dc.subject.keyword thermal properties en
dc.subject.keyword tribological properties en
dc.subject.keyword electrical properties en
dc.subject.keyword sintraus tasavirtapulssien avulla fi
dc.subject.keyword PECS fi
dc.subject.keyword SPS fi
dc.subject.keyword kupari fi
dc.subject.keyword metalli matriisi komposiitit fi
dc.subject.keyword mikrorakenne fi
dc.subject.keyword mekaaniset ominaisuudet fi
dc.subject.keyword lämpötekniset ominaisuudet fi
dc.subject.keyword tribologiset ominaisuudet fi
dc.subject.keyword sähkönjohtavuus fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-5655-5
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Hannula, Simo-Pekka, Prof., Aalto University, Department of Materials Science and Engineering, Finland
dc.opn Grabis, Janis, Dr., Director, Head of Plasma Process Laboratory, Institute of Inorganic Chemistry, Riga Technical University, Latvia
dc.contributor.lab Advanced and Functional Materials Group en
dc.rev Groza, Joanna R., Research Prof., University of California, Davis, California, USA
dc.rev Kuokkala, Veli-Tapani, Prof., Tampere University of Technology, Department of Materials Science, Finland
dc.rev Weber, Ludger, Dr., Group Leader, EPF Lausanne, Laboratory of Mechanical Metallurgy, Switzerland
dc.date.defence 2014-05-23


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account