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11期：技術(shù)‖ 彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料的研究進(jìn)展
來源:
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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(qiáng)化銅基復(fù)合材料的研究進(jìn)展
摘要：綜述了高強(qiáng)高導(dǎo)彌散強(qiáng)化銅基復(fù)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(xì)地介紹，并對彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料研究狀況及應(yīng)用前景做相應(yīng)探討。
關(guān)鍵詞：彌散強(qiáng)化、氧化鋁、銅基復(fù)合材料
前言
早在1973年，美國就開發(fā)出了彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料，彌散強(qiáng)化銅最先主要應(yīng)用于軍工航天領(lǐng)域，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電工、電子、汽車、家電及容器制造等領(lǐng)域。20世紀(jì)80年代，我國許多高校和科研院所也相繼開始了彌散強(qiáng)化銅材料的研究，并取得了較好地進(jìn)展[1,2]。
顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料， 具有高溫強(qiáng)度高、 穩(wěn)定性好、 高導(dǎo)電導(dǎo)熱性的優(yōu)異性能。 對Al2O3、 BeO、 ZrO2、Cr2O3、TiO2等作為彌散相的彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料的研究表明，以A12O3為增強(qiáng)體的Al2O3/Cu復(fù)合材料的強(qiáng)度和導(dǎo)電性的綜合性能最佳[3]。
1 、彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料及其制備
以Al2O3、BeO、ZrO2、Cr2O3、TiO2等作為彌散相的銅基復(fù)合材料中，細(xì)小堅(jiān)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(yùn)動，大大提高了基體的室溫與高溫強(qiáng)度，而導(dǎo)電導(dǎo)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(yīng)用前景的新型銅基復(fù)合材料。制備彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料的技術(shù)有粉末冶金、反應(yīng)噴射沉積法、復(fù)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(jī)械混合法，它是把一定比例的Cu粉與Al2O3、BeO、ZrO2、Cr2O3、TiO2等增強(qiáng)顆粒粉末混合均勻，壓制成型后再燒結(jié)成燒結(jié)體預(yù)制件。這種傳統(tǒng)方法工藝成熟，但制品性能，尤其是強(qiáng)度和導(dǎo)電率偏低。這與A12O3粉末的粒徑在微米級，彌散強(qiáng)化效果較低有關(guān)。
(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?jǐn)?shù)的氧化鋁當(dāng)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(jìn)行選擇性還原處理。此法制得的氧化鋁彌散銅基復(fù)合粉末受還原工藝和原料純度的影響，燒結(jié)制品性能較低。
(3)內(nèi)氧化法，內(nèi)氧化法目前主要用于制備Al2O3彌散強(qiáng)化銅。內(nèi)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(qiáng)化銅基復(fù)合材料的首選方法。內(nèi)氧化法的工藝路線為：熔煉Cu-Al合金，用高壓氮?dú)忪F化熔體，制得CuAl粉末；將制得的粉末與內(nèi)氧化劑(細(xì)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(qiáng)化銅粉。
1.2反應(yīng)噴射沉積法
反應(yīng)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(diǎn)，克服了復(fù)合材料制品基體含氧量大、界面反應(yīng)嚴(yán)重等缺點(diǎn)。其工藝流程為：澆鑄Cu-A1自生復(fù)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?dú)膺M(jìn)行保護(hù)并利用氮?dú)庵械难鯎駜?yōu)Al，氧化生成氧化鋁增強(qiáng)顆粒，在基底上沉積冷卻后形成氧化鋁彌散強(qiáng)化銅復(fù)合材料[9]。
1.3復(fù)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(fù)合鍍層。其工藝為：顆粒預(yù)處理-鍍液配制-顆粒加入鍍液-攪拌并電沉積-真空熱壓燒結(jié)-復(fù)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(fù)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(jī)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(fù)合材料顆粒均勻。采用導(dǎo)電的WC、TiC金屬陶瓷顆粒制備的復(fù)合材料，強(qiáng)度稍低于Al2O3/Cu，導(dǎo)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(jìn)行表面催滲，使銅合金表面形成富Al合金層，并通過內(nèi)氧化法制備具有一定厚度的Al2O3彌散強(qiáng)化層[12]。
2 彌散強(qiáng)化銅的應(yīng)用
彌散強(qiáng)化銅的物理性能與純銅的非常相似，它不但強(qiáng)度高，導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率也高，而且長時間暴露于接近銅基體熔點(diǎn)的溫度(800-900℃)下，依然能保持很好的強(qiáng)度和傳導(dǎo)性能，極大的擴(kuò)展了銅合金的使用溫度范圍。彌散強(qiáng)化銅以優(yōu)良的綜合性能，使其成為高強(qiáng)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(guān)，繼電器銅片，行波管慢波線，輸電線，聚熱線圈，波導(dǎo)管，手機(jī)及移動通訊天線，筆記本電腦散熱管等[13~16]。具體應(yīng)用如下：
2.1引線
彌散強(qiáng)化銅拉成絲后，用作白熾燈的引線，其良好的高溫強(qiáng)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(qiáng)度，可縮小線徑，用較細(xì)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)化銅可制造直升機(jī)啟動機(jī)馬達(dá)的整流子，用它的高強(qiáng)度來抵消在高旋轉(zhuǎn)速度下產(chǎn)生的高變形應(yīng)力；彌散強(qiáng)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(qiáng)化銅電阻焊電極
彌散強(qiáng)化銅可以加工成各類點(diǎn)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(shè)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(qiáng)化銅電極越來越顯示出它的獨(dú)特的焊接性能優(yōu)勢。在焊接過程中，彌散強(qiáng)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(diào)大電流，節(jié)約了大量能源，提高了生產(chǎn)率。彌散強(qiáng)化銅電極的推廣應(yīng)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(nèi)外對于彌散強(qiáng)化銅合金的研究較多，并成功地應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。筆者認(rèn)為彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料制備技術(shù)應(yīng)加強(qiáng)以下幾個方面的研究：(1)工藝方面，在保證制品性能的基礎(chǔ)上簡化制備工藝和降低成本，進(jìn)一步探討內(nèi)氧化的微觀機(jī)制，優(yōu)化內(nèi)氧化工藝參數(shù)和內(nèi)氧化介質(zhì)；(2)性能方面，研究內(nèi)氧化質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、粒度和分布對銅基復(fù)合材料的室溫及高溫強(qiáng)度、再結(jié)晶溫度、軟化溫度的影響；(3)本構(gòu)關(guān)系方面，了解彌散銅在熱加工過程中流動應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變速率和溫度之間的關(guān)系，實(shí)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(fù)合材料新的應(yīng)用領(lǐng)域，使其產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模化生產(chǎn)。
參考文獻(xiàn)
[1] 尹志民,張生龍.高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金研究熱點(diǎn)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(qiáng)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(qiáng)高導(dǎo)電銅基復(fù)合材料的新型制造技術(shù)[J].兵器材料科學(xué)與工程.1998,21(6):40-43
[5] 孫世清,毛磊,劉宗茂,等. Al2O3-Cu和C-Cu復(fù)合材料研究進(jìn)展[J].河北科技大學(xué)學(xué)報,2001,22(1):7-I1
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