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涨知识 | 高性能铜基复合材料介...

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编辑时间 : 2020-06-04

  涨知识 | 高性能铜基复合材料介绍


  什么高性能铜基复合材料?高性能铜基复合材料介绍有哪些内容?简介:铜及铜合金机械性能良好,且工艺性能优良,易于铸造、塑性加工等,更重要铜及铜合金有良好耐蚀、导热、导电性能,所以它们能广泛应用于电子电气、机械制造等工业领域。此这类材料众多高新技术领域有着广阔应用前景。高性能合金铜


  什么高性能铜基复合材料?


  铜及铜合金机械性能良好,且工艺性能优良,易于铸造、塑性加工等,更重要铜及铜合金有良好耐蚀、导热、导电性能,所以它们能广泛应用于电子电气、机械制造等工业领域。但是,铜室温强度、高温性能以及磨损性能等诸多方面不足限制了其更加广泛应用。而随着现代航空航天、电子技术快速发展,对铜使用提出了更多更高要求,即在保证铜良好导电、导热等物理性能基础上,要求铜具有高强度,尤其是良好高温力学性能,并且要求材料有低热膨胀系数和良好摩擦磨损性能。我国第一条高速铁路京沪线总投资约200亿美元,2008年已经开工建设,接触线年需求量近万吨,显然接触线研发,即高强高导高耐磨铜合金功能材料研发有着很大国内外市场。电阻焊电极,缝焊滚轮,集成电路引线框架也需要高强度高导电性铜合金,现有牌号铜及铜合金高强高导方面难以兼顾。所以通过引入适当增强相复合强化方式,发挥基体和功能强化相协同作用,研发高性能铜(合金)基功能复合材料成为当今世界热门课题。


  所谓高强高导铜合金,一般指抗拉强度(Gb)为纯铜2-10倍(350-2000MPa),导电率一般为铜50%~95%,即50-95%IACS铜合金。国际上公认理想指标为δb=600-800MPa,导电性至≥80%IACSE。高强高导铜合金主要应用领域电子信息产业超大规模集成电路引线框架,国防军工用电子对抗,雷达,大功率军用微波管,高脉冲磁场导体,核装备和运载火箭,高速轨道交通用架空导线,300-1250Kw大功率调频调速异步牵引电动机导条与端环,汽车工业用电阻焊电极头,冶金工业用连铸机结晶器,电真空器件和电器工程用开关触桥等,因此这类材料众多高新技术领域有着广阔应用前景。


  高性能铜基复合材料介绍-分类


  1、颗粒增强铜基复合材料


  增强体主要为碳化硅和氧化铝,亦有少量氧化钛和硼化钛等颗粒(粒径一般为10μm左右)。晶须不仅本身力学性能优越,而且有一定长径比,因此比颗粒对金属基体增强效果更显着,晶须常用碳化硅和硼酸铝晶须等。合金化工艺可以制备氧化物弥散强化和碳化物弥散强化铜基复合材料。


  2、纤维增强铜基复合材料


  铜或铜合金与非金属或金属纤维制造复合材料既保持了铜高导电性、高导热性,又具有高强度与耐高温性能。制造此类铜基复合材料时,既有用长纤维,也有用短纤维。碳纤维-铜复合材料由于既具有铜良好导热、导电性,又有碳纤维自润滑、抗磨、低热膨胀系数等特点,从而用于滑动电触头材料、电刷、电力半导体支撑电极,集成电路散热板等方面。铜-碳纤维复合材料工业生产中另一个应用实例电车导电弓架上滑块,滑块电车及电气机车上易损件,最早采用金属滑块,目前采用碳滑块,但都有不足之处。采用碳纤维-铜复合材料后,使接触电阻减小,避免过热,同时提高强度及过载电流,并有优良润滑及耐磨性。


  3、高性能显微复合铜合金


  高性能显微复合铜合金材料本世纪70年代研究超导材料时发现。1978年美国Harvard大学Bark等人最早提出高性能Cu-X合金概念,Cu-X二元合金,X包括难熔金属W、Mo、Nb、Ta和Cr、Fe、V等元素,Cu—X材料经锻造、拉拔或轧制后,X金属沿变形方向以丝状或带状分布,形成显微复合材料,此显微复合铜合金材料特点是超高强度(最高抗拉强度可达2000MPa以上),电导率可达82%IACS,良好耐热性及显微复合组织和晶粒择优取向。此材料除了可以作点焊电极外,还可作推进器和热交换器,与传统铜合金材料相比,它含有合金元素总量多,但合金元素种类少。Cu—X合金以其超高强度,高电导率以及良好耐热性引起了人们重视。目前,美国Iowa大学,Harvard大学材料系,AMES实验室以及Michigan理工大学,还有国内浙江大学在这方面作了大量研究工作,但仍有许多理论问题和实际应用问题有待解决。


  高强高导铜基复合材料介绍-制备方法


  1、粉末冶金法


  粉末冶金法最早开发用于制备颗粒增强金属基复合材料工艺,一般包括混粉、压实、除气、烧结等过程。粉末冶金一种近净成型工艺,材料利用率高,可以消除组织和成分偏析,而且颗粒增强相粒度和体积分数可以较大范围内调整。该方法生产铜基复合材料中结构件、摩擦材料、及高导电率材料主要手段。由于铜和大部分陶瓷增强颗粒浸润性差,密度相差较大,采用液态法制备复合材料时容易产生增强物聚集,导致第二相分布不均匀。粉末冶金法可以按所需比例将金属粉末和增强物混合均匀,解决了增强物分布问题。为了增强铜与增强颗粒界面结合强度,通常采用化学沉积等方法增强颗粒表面包覆Cu、Ni等金属涂层,然后再与铜粉混合均匀,利用粉末冶金方法制得复合材料[11]。由于增强颗粒包覆金属涂层后基体金属中分布更加均匀,减少了增强物间直接接触,更有利地发挥了其强化作用。同时,通过包覆不同金属还可以改善界面结构,增强界面结合强度,提高复合材料综合性能。


  2、复合铸造法


  铸造方法工业化大生产首选方法。但对于这种复合材料铸造后,一般会有辅助形变工艺。形变强化效果会因为冷变形金属再结晶而失效。因大多数金属再结晶温度仅为其熔点温度40%左右,所以用铸造方法得到材料,其抗高温性能相对差。复合铸造工艺为美国麻省理工学院M.C.Flemings等所提出。这种方法较好解决了增强相偏析,生产工艺简单,适应了复合材料大规模工业化生产趋势,有较大发展优势。但是复合铸造由于熔体粘度大,不利于气体和夹杂物排出,所以制备材料中常有气孔和夹杂物存在;此外,这种方法温度控制也比较困难。


  3、内氧化法


  内氧化法制备铜基复合材料最常用方法之一,可获得均匀分布细小弥散颗粒并能够精确控制强化相数量。该工艺典型应用是制各Cu—A1203弥散强化铜基复合材料,其工艺铜中添加少量固溶于铜,但比铜生成氧化物倾向大合金元素铝,制成铜铝合金粉末,从粉末表面向内部扩散氧,使合金雾化粉高温及氧气气氛下发生内氧化,铝转变为氧化铝,然后氢气气氛下把氧化了铜还原出来,但氧化铝不能还原,制成铜和氧化铝混合粉末,最后一定压力下烧结成形。用内氧化法制造Cu-A1203成形固化技术上有些问题,极难进行粉末烧结,且工艺复杂,成本高。内氧化法不足之处工序繁杂,影响制备过程因素很多,材料质量难以控制且生产成本高,因而极大地限制了该工艺应用。。


  4、液态金属原位法


  液态金属原位反应法近年来发展起来铜基复合材料新型制备技术之一。Lee等人首先成功制备了TiB2/Cu复合材料。该方法将两种或多种合金液体充分搅拌混合并通过化学反应产生均匀弥散分布纳米级增强物。用该法制得含5vo1%TiB2Cu基复合材料电导率达76%IACS。Chrysanthou等Cu-Ti溶液中分别加入碳黑、B203或同时加入W碳黑通过反应生成细小且均匀布TiC、TiB2、WC颗粒原位增强铜基复合材料。由于该工艺制备复合材料中增强体没有界面污染,与基体有良好界面相容性,因而比传统复合材料具有更高导电性和机械强度。


  5、快速凝固法


  快速凝固法由于凝固过程冷却速快、起始形核过冷度大,生长速率高,结果使固、液界面偏离平衡,因而呈现出一系列与常规合金不同组织和结构特征。采用快速凝固制备铜基复合材料有以下特点:


  (1)合金元素铜中固溶度显着增大;


  (2)晶粒大大细化;


  (3)化学成分显微偏析明显降低;


  (4)晶体缺陷密度大大增加;


  (5)形成了新亚稳相结构;


  (6)经时效处理后,铜基体中第二相含量提高,弥散程度增大。


  导电率稍有降低情况下,合金强度得到了显着提高,并改善了合金耐磨、耐腐蚀性能。快速凝固技术为制备高强高导铜基复合材料开发开辟了一个新领域。今后快速凝固制备高强高导铜基复合材料研究重点是:通过对凝固过程和时效过程分析来优化材料成分、凝固动力学参数和时效工艺,改善显微组织结构和性能。


  6、机械合金化法


  机械合金化利用高能球磨机,按一定比例混合金属粉末或陶瓷粒子,反复研磨,使复合粉末经过反复变形、冷焊、破碎、再焊合、再破碎反复过程,可使晶粒细化到纳米级,并具有很大表面活性[17]。由于引入大量畸变缺陷,相互扩散能力加强,激活能降低,使合金化过程不同于普通固态过程,因而有可能制备出常规条件下难以合成许多新型材料。机械合金化制备铜基复合材料不足之处在于球磨过程中容易带入杂质元素而降低材料性能特别是导电性能,同时由于球磨时间过长而导致生产效率低下。高性能合金铜


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