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11期：技術‖ 彌散強化銅基復合材料的研究進展
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作者:pmo0cbdb2
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發(fā)布時間: 2018-06-20
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彌散強化銅基復合材料的研究進展
摘要：綜述了高強高導彌散強化銅基復合材料的制備工藝，尤其是對氧化鋁彌散銅的制備工藝、性能做了詳細地介紹，并對彌散強化銅基復合材料研究狀況及應用前景做相應探討。
關鍵詞：彌散強化、氧化鋁、銅基復合材料
前言
早在1973年，美國就開發(fā)出了彌散強化銅基復合材料，彌散強化銅最先主要應用于軍工航天領域，現(xiàn)已廣泛應用于電工、電子、汽車、家電及容器制造等領域。20世紀80年代，我國許多高校和科研院所也相繼開始了彌散強化銅材料的研究，并取得了較好地進展[1,2]。
顆粒增強銅基復合材料， 具有高溫強度高、 穩(wěn)定性好、 高導電導熱性的優(yōu)異性能。 對Al2O3、 BeO、 ZrO2、Cr2O3、TiO2等作為彌散相的彌散強化銅基復合材料的研究表明，以A12O3為增強體的Al2O3/Cu復合材料的強度和導電性的綜合性能最佳[3]。
1 、彌散強化銅基復合材料及其制備
以Al2O3、BeO、ZrO2、Cr2O3、TiO2等作為彌散相的銅基復合材料中，細小堅硬的氧化鋁粒子均勻彌散分布在銅基體上，阻礙了位錯的運動，大大提高了基體的室溫與高溫強度，而導電導熱性與純銅接近，并且有良好的抗高溫軟化、抗電弧侵蝕和抗磨損能力，是一種具有廣泛應用前景的新型銅基復合材料。制備彌散強化銅基復合材料的技術有粉末冶金、反應噴射沉積法、復合電沉積法、真空混合鑄造法和表面催滲等[4~8]。
1.1粉末冶金法
(1)機械混合法，它是把一定比例的Cu粉與Al2O3、BeO、ZrO2、Cr2O3、TiO2等增強顆粒粉末混合均勻，壓制成型后再燒結成燒結體預制件。這種傳統(tǒng)方法工藝成熟，但制品性能，尤其是強度和導電率偏低。這與A12O3粉末的粒徑在微米級，彌散強化效果較低有關。
(2)共沉淀法，此法主要用于制備氧化鋁彌散銅。用硝酸銅及硫酸鋁，配制成含有一定體積分數(shù)的氧化鋁當量值的水溶液，在20℃下攪拌并添加一定摩爾濃度的氨水溶液，經(jīng)沉淀過濾后再用冷水洗滌沉積物，隨后在110℃下烘干，并引燃成氧化物，最后進行選擇性還原處理。此法制得的氧化鋁彌散銅基復合粉末受還原工藝和原料純度的影響，燒結制品性能較低。
(3)內氧化法，內氧化法目前主要用于制備Al2O3彌散強化銅。內氧化方法可以獲得納米級、均勻分布的氧化鋁顆粒，是制備高性能氧化鋁彌散強化銅基復合材料的首選方法。內氧化法的工藝路線為：熔煉Cu-Al合金，用高壓氮氣霧化熔體，制得CuAl粉末；將制得的粉末與內氧化劑(細小的氧化銅粉末)混和后；加熱到高溫， 在全部固溶的Al都被氧化后， 在氫或分解氨氣氛中將粉末加熱， 以還原粉末中過量的氧化銅，最終制得Al2O3彌散強化銅粉。
1.2反應噴射沉積法
反應噴射沉積法是一種新型的快速凝固工藝，它綜合了粉末冶金和攪拌鑄造的優(yōu)點，克服了復合材料制品基體含氧量大、界面反應嚴重等缺點。其工藝流程為：澆鑄Cu-A1自生復合材料的鑄錠-鑄錠重熔-噴射沉積-沉積坯-擠壓成型。噴射過程中用含氧的氮氣進行保護并利用氮氣中的氧擇優(yōu)Al，氧化生成氧化鋁增強顆粒，在基底上沉積冷卻后形成氧化鋁彌散強化銅復合材料[9]。
1.3復合電沉積法
該法是將鍍液中氧化鋁微粒與基體金屬銅共沉積到陰極表面形成復合鍍層。其工藝為：顆粒預處理-鍍液配制-顆粒加入鍍液-攪拌并電沉積-真空熱壓燒結-復合材料。但顆粒在鍍液中的均勻穩(wěn)定懸浮不易控制，另外制品中Al2O3含量和復合材料制品尺寸大小受到限制[10]。
1.4真空混合鑄造法
真空混合鑄造法是由傳統(tǒng)的攪拌法發(fā)展而來的， 它是將尺寸為0.68~2/nm的氧化物和金屬陶瓷顆粒用機械攪拌的方法， 在真空下與9.99％的純銅熔液混合， 以使陶瓷顆粒分散均勻， 并打碎凝固時出現(xiàn)的樹枝晶，用該法制得的銅基復合材料顆粒均勻。采用導電的WC、TiC金屬陶瓷顆粒制備的復合材料，強度稍低于Al2O3/Cu，導電性有所提高[11]。
1.5表面催滲法
此方法主要采用Al2O3+Al+NH4Cl+CeCl3等滲劑對純銅進行表面催滲，使銅合金表面形成富Al合金層，并通過內氧化法制備具有一定厚度的Al2O3彌散強化層[12]。
2 彌散強化銅的應用
彌散強化銅的物理性能與純銅的非常相似，它不但強度高，導電率和導熱率也高，而且長時間暴露于接近銅基體熔點的溫度(800-900℃)下，依然能保持很好的強度和傳導性能，極大的擴展了銅合金的使用溫度范圍。彌散強化銅以優(yōu)良的綜合性能，使其成為高強度銅合金的理想選擇，已廣泛用作電子真空器件的散熱陽極、插接件，大功率高頻、超高頻真空電子管，晶體管管殼，磁控管腔體、定片、動片，發(fā)射管，真空開關，繼電器銅片，行波管慢波線，輸電線，聚熱線圈，波導管，手機及移動通訊天線，筆記本電腦散熱管等[13~16]。具體應用如下：
2.1引線
彌散強化銅拉成絲后，用作白熾燈的引線，其良好的高溫強度保持能力便于玻璃芯柱壓制，省去了昂貴的支承鉬絲，而且其優(yōu)良的冷加工性能和強度，可縮小線徑，用較細的引線能將燈絲的熱損失減少到最低，提高了燈泡的發(fā)光效率。彌散強化銅用作二極管等電子分立元件的引線，在氣密封接時具有高溫強度保持能力和剛性，能多次嵌入線路板中。
2.2整流子
彌散強化銅可制造直升機啟動機馬達的整流子，用它的高強度來抵消在高旋轉速度下產(chǎn)生的高變形應力；彌散強化銅材料也可用作汽車燃料注射系統(tǒng)浸入式燃料泵的整流子，材料本身具有良好的耐磨性和耐腐蝕性，使整流子能在“酸性”汽油的環(huán)境下高效工作。
2.3彌散強化銅電阻焊電極
彌散強化銅可以加工成各類點焊電極、電極帽、電極塊、電極臂、縫焊輪等，主要用于汽車、器具、通訊、家電及設備制造等行業(yè)中。隨著焊接生產(chǎn)線的自動化趨勢，彌散強化銅電極越來越顯示出它的獨特的焊接性能優(yōu)勢。在焊接過程中，彌散強化銅電極的壽命是普通Ⅱ類鉻銅電極的4-10倍，焊接時也不用經(jīng)常調大電流，節(jié)約了大量能源，提高了生產(chǎn)率。彌散強化銅電極的推廣應用，是焊接生產(chǎn)線上的一次改革，它成功地為鍍鋅鋼板的焊接提供了終端解決方案。
3 展望
國內外對于彌散強化銅合金的研究較多，并成功地應用于實際生產(chǎn)。筆者認為彌散強化銅基復合材料制備技術應加強以下幾個方面的研究：(1)工藝方面，在保證制品性能的基礎上簡化制備工藝和降低成本，進一步探討內氧化的微觀機制，優(yōu)化內氧化工藝參數(shù)和內氧化介質；(2)性能方面，研究內氧化質點的質量分數(shù)、粒度和分布對銅基復合材料的室溫及高溫強度、再結晶溫度、軟化溫度的影響；(3)本構關系方面，了解彌散銅在熱加工過程中流動應力、應變、應變速率和溫度之間的關系，實現(xiàn)彌散銅熱加工的有限元模擬；(4)產(chǎn)業(yè)化方面，積極開拓銅基復合材料新的應用領域，使其產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模化生產(chǎn)。
參考文獻
[1] 尹志民,張生龍.高強高導銅合金研究熱點及發(fā)展趨勢[J].礦冶工程,2002,22(2):l-6
[2] 賈燕民,丁秉鈞.制備彌散強化銅的新工藝[J].稀有金屬材料與工程.2000,29(2):141-142
[3] 胡銳,商寶祿,李華倫,等.高強高導電銅基復合材料的新型制造技術[J].兵器材料科學與工程.1998,21(6):40-43
[5] 孫世清,毛磊,劉宗茂,等. Al2O3-Cu和C-Cu復合材料研究進展[J].河北科技大學學報,2001,22(1):7-I1
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