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11期：技术‖ 弥散强化铜基复合材料的研究进展
来源: | 作者:pmo0cbdb2 | 发布时间: 2018-06-20 | 4862 次浏览 | 分享到:
弥散强化铜基复合材料的研究进展
 
摘要：综述了高强高导弥散强化铜基复合材料的制备工艺，尤其是对氧化铝弥散铜的制备工艺、性能做了详细地介绍，并对弥散强化铜基复合材料研究状况及应用前景做相应探讨。
关键词：弥散强化、氧化铝、铜基复合材料

前言
　　早在1973年，美国就开发出了弥散强化铜基复合材料，弥散强化铜最先主要应用于军工航天领域，现已广泛应用于电工、电子、汽车、家电及容器制造等领域。20世纪80年代，我国许多高校和科研院所也相继开始了弥散强化铜材料的研究，并取得了较好地进展[1,2]。
　　颗粒增强铜基复合材料， 具有高温强度高、 稳定性好、 高导电导热性的优异性能。 对Al2O3、 BeO、 ZrO2、Cr2O3、TiO2等作为弥散相的弥散强化铜基复合材料的研究表明，以A12O3为增强体的Al2O3/Cu复合材料的强度和导电性的综合性能最佳[3]。


1 、弥散强化铜基复合材料及其制备
　　以Al2O3、BeO、ZrO2、Cr2O3、TiO2等作为弥散相的铜基复合材料中，细小坚硬的氧化铝粒子均匀弥散分布在铜基体上，阻碍了位错的运动，大大提高了基体的室温与高温强度，而导电导热性与纯铜接近，并且有良好的抗高温软化、抗电弧侵蚀和抗磨损能力，是一种具有广泛应用前景的新型铜基复合材料。制备弥散强化铜基复合材料的技术有粉末冶金、反应喷射沉积法、复合电沉积法、真空混合铸造法和表面催渗等[4~8]。


1.1粉末冶金法
         (1)机械混合法，它是把一定比例的Cu粉与Al2O3、BeO、ZrO2、Cr2O3、TiO2等增强颗粒粉末混合均匀，压制成型后再烧结成烧结体预制件。这种传统方法工艺成熟，但制品性能，尤其是强度和导电率偏低。这与A12O3粉末的粒径在微米级，弥散强化效果较低有关。
        (2)共沉淀法，此法主要用于制备氧化铝弥散铜。用硝酸铜及硫酸铝，配制成含有一定体积分数的氧化铝当量值的水溶液，在20℃下搅拌并添加一定摩尔浓度的氨水溶液，经沉淀过滤后再用冷水洗涤沉积物，随后在110℃下烘干，并引燃成氧化物，最后进行选择性还原处理。此法制得的氧化铝弥散铜基复合粉末受还原工艺和原料纯度的影响，烧结制品性能较低。
         (3)内氧化法，内氧化法目前主要用于制备Al2O3弥散强化铜。内氧化方法可以获得纳米级、均匀分布的氧化铝颗粒，是制备高性能氧化铝弥散强化铜基复合材料的首选方法。内氧化法的工艺路线为：熔炼Cu-Al合金，用高压氮气雾化熔体，制得CuAl粉末；将制得的粉末与内氧化剂(细小的氧化铜粉末)混和后；加热到高温， 在全部固溶的Al都被氧化后， 在氢或分解氨气氛中将粉末加热， 以还原粉末中过量的氧化铜，最终制得Al2O3弥散强化铜粉。


1.2反应喷射沉积法
　　反应喷射沉积法是一种新型的快速凝固工艺，它综合了粉末冶金和搅拌铸造的优点，克服了复合材料制品基体含氧量大、界面反应严重等缺点。其工艺流程为：浇铸Cu-A1自生复合材料的铸锭-铸锭重熔-喷射沉积-沉积坯-挤压成型。喷射过程中用含氧的氮气进行保护并利用氮气中的氧择优Al，氧化生成氧化铝增强颗粒，在基底上沉积冷却后形成氧化铝弥散强化铜复合材料[9]。


1.3复合电沉积法
　　该法是将镀液中氧化铝微粒与基体金属铜共沉积到阴极表面形成复合镀层。其工艺为：颗粒预处理-镀液配制-颗粒加入镀液-搅拌并电沉积-真空热压烧结-复合材料。但颗粒在镀液中的均匀稳定悬浮不易控制，另外制品中Al2O3含量和复合材料制品尺寸大小受到限制[10]。


1.4真空混合铸造法
　　真空混合铸造法是由传统的搅拌法发展而来的， 它是将尺寸为0.68~2/nm的氧化物和金属陶瓷颗粒用机械搅拌的方法， 在真空下与9.99％的纯铜熔液混合， 以使陶瓷颗粒分散均匀， 并打碎凝固时出现的树枝晶，用该法制得的铜基复合材料颗粒均匀。采用导电的WC、TiC金属陶瓷颗粒制备的复合材料，强度稍低于Al2O3/Cu，导电性有所提高[11]。


1.5表面催渗法
　　此方法主要采用Al2O3+Al+NH4Cl+CeCl3等渗剂对纯铜进行表面催渗，使铜合金表面形成富Al合金层，并通过内氧化法制备具有一定厚度的Al2O3弥散强化层[12]。


2 弥散强化铜的应用
　　弥散强化铜的物理性能与纯铜的非常相似，它不但强度高，导电率和导热率也高，而且长时间暴露于接近铜基体熔点的温度(800-900℃)下，依然能保持很好的强度和传导性能，极大的扩展了铜合金的使用温度范围。弥散强化铜以优良的综合性能，使其成为高强度铜合金的理想选择，已广泛用作电子真空器件的散热阳极、插接件，大功率高频、超高频真空电子管，晶体管管壳，磁控管腔体、定片、动片，发射管，真空开关，继电器铜片，行波管慢波线，输电线，聚热线圈，波导管，手机及移动通讯天线，笔记本电脑散热管等[13~16]。具体应用如下：


2.1引线
　　弥散强化铜拉成丝后，用作白炽灯的引线，其良好的高温强度保持能力便于玻璃芯柱压制，省去了昂贵的支承钼丝，而且其优良的冷加工性能和强度，可缩小线径，用较细的引线能将灯丝的热损失减少到最低，提高了灯泡的发光效率。弥散强化铜用作二极管等电子分立元件的引线，在气密封接时具有高温强度保持能力和刚性，能多次嵌入线路板中。


2.2整流子
　　弥散强化铜可制造直升机启动机马达的整流子，用它的高强度来抵消在高旋转速度下产生的高变形应力；弥散强化铜材料也可用作汽车燃料注射系统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蚀性，使整流子能在“酸性”汽油的环境下高效工作。


2.3弥散强化铜电阻焊电极
　　弥散强化铜可以加工成各类点焊电极、电极帽、电极块、电极臂、缝焊轮等，主要用于汽车、器具、通讯、家电及设备制造等行业中。随着焊接生产线的自动化趋势，弥散强化铜电极越来越显示出它的独特的焊接性能优势。在焊接过程中，弥散强化铜电极的寿命是普通Ⅱ类铬铜电极的4-10倍，焊接时也不用经常调大电流，节约了大量能源，提高了生产率。弥散强化铜电极的推广应用，是焊接生产线上的一次改革，它成功地为镀锌钢板的焊接提供了终端解决方案。


3 展望
　　国内外对于弥散强化铜合金的研究较多，并成功地应用于实际生产。笔者认为弥散强化铜基复合材料制备技术应加强以下几个方面的研究：(1)工艺方面，在保证制品性能的基础上简化制备工艺和降低成本，进一步探讨内氧化的微观机制，优化内氧化工艺参数和内氧化介质；(2)性能方面，研究内氧化质点的质量分数、粒度和分布对铜基复合材料的室温及高温强度、再结晶温度、软化温度的影响；(3)本构关系方面，了解弥散铜在热加工过程中流动应力、应变、应变速率和温度之间的关系，实现弥散铜热加工的有限元模拟；(4)产业化方面，积极开拓铜基复合材料新的应用领域，使其产业化和规模化生产。


参考文献
[1] 尹志民,张生龙.高强高导铜合金研究热点及发展趋势[J].矿冶工程,2002,22(2):l-6
[2] 贾燕民,丁秉钧.制备弥散强化铜的新工艺[J].稀有金属材料与工程.2000,29(2):141-142
[3] 胡锐,商宝禄,李华伦,等.高强高导电铜基复合材料的新型制造技术[J].兵器材料科学与工程.1998,21(6):40-43

[4] 武建军,雷廷权,张运,等.弥散强化铜基复合材料制备工艺[J].粉末冶金技术,1999，17(3):195-200
[5] 孙世清,毛磊,刘宗茂,等. Al2O3-Cu和C-Cu复合材料研究进展[J].河北科技大学学报,2001,22(1):7-I1
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