高导电高耐磨铜基复合材料的研究进展

ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ
成分
制备方法
电导率 强度 （％ＩＡＣＳ） ＭＰａ
文献 出处
２％ ① Ａｌ２Ｏ３／Ｃｕ 机械合金化
２０％ ① ＴｉＣ／ＣｕБайду номын сангаас
机械合金化
２．５ｌ％ ① ＴｉＢ２／Ｃｕ
原位合成
４０％ ② ＴｉＢ２／Ｃｕ
燃烧合成
ＴｉＣ－ＴｉＢ２／Ｃｕ 自蔓延高温合成
２．０％ ② ＴｉＢ２／Ｃｕ
液 －液 合 成
Ａｌ２Ｏ３／Ｃｕ
内氧化合成
８０ ８０ ７６ － － １２ ７６
６１０ ６５０ ６７５ ５８３ ５８０ ６１５
－
［２０］ ［２０］ ［２０］ ［２１］ ［２２］ ［２３］ ［２４］
① 体 积 分 数 ；② 质 量 分 数
３ 铜基复合材料的分类及性能特点
根据 增 强 机 理 的 不 同，铜 基 复 合 材 料 大 致 可 分 为纤维增强铜基复 合 材 料、陶 瓷 颗 粒 增 强 铜 基 复 合 材 料 、微 量 稀 土 改 性 铜 基 材 料 和 表 面 改 性 铜 基 材 料 。 ３．１ 纤 维 增 强 铜 基 复 合 材 料
陶瓷颗粒增强金属基复合材料具有较好的耐磨 性和高温力学性能 及 较 低 的 热 膨 胀 系 数，且 制 备 工 艺简单、成本较低，近年 来 发 展 迅 速 。 ［９，１０］ 陶 瓷 颗 粒 增强铜基复合材料的力学性能主要取决于铜基体、 颗粒的性能以及颗粒与基体之间界面的特性。目前 较 常 采 用 的 陶 瓷 颗 粒 增 强 体 主 要 有：ＷＣ、ＳｉＣ、 ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＮ 和 ＴｉＢ２［１１］等。 这 些 陶 瓷 颗 粒 普 遍 具 有 高 强 度 、高 硬 度 、高 熔 点 ，不 固 溶 于 铜 ，也 不 与 铜产生合金化等特 点。 而 氮 化 物 陶 瓷 ＡｌＮ、ＴｉＮ 及 硼化 物 陶 瓷 ＴｉＢ２、ＭｇＢ２ 除 了 满 足 作 为 铜 基 复 合 材 料 弥 散 相 的 上 述 特 点 之 外 ，还 具 有 各 自 突 出 的 优 点 ： 如 ＡｌＮ 的导热性能 优 异、线 膨 胀 系 数 低［１２］；ＴｉＮ 的 导电性能好，有自润 滑 作 用［１３］；ＭｇＢ２则 低 温 时 具 有 超 导 特 性 （超 导 温 度 ３９ Ｋ），常 温 时 具 有 可 携 带 电 荷 能力强 的 特 点 。 ［１４］ 所 以，增 强 颗 粒 的 选 择 非 常 重
第 ３９ 卷 第 ３ 期 ２ ０ １ １ 年 ９ 月
稀有金属与硬质合金 Ｒａｒｅ Ｍｅｔａｌｓ ａｎｄ Ｃｅｍｅｎｔｅｄ Ｃａｒｂｉｄｅｓ
Ｖｏｌ．３９ № ．３ Ｓｅｐｔ． ２ ０ １ １
高导电高耐磨铜基复合材料的研究进展
张颖异，李运刚，田 颖
（河北理工大学 冶金与能源学院，河北 唐山 ０６３００９）
收 稿 日 期 ：２０１０－０９－１６ 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （５０９４４０５０） 通 讯 作 者 ：李 运 刚 （１９５８－），男 ，博 士 ，教 授 ，主 要 从 事 新 材 料 的 制 备 研 究 ，Ｅ－ｍａｉｌ：１５９３１９０９２５８＠１６３．ｃｏｍ
ＺＨＡＮＧ Ｙｉｎｇ－ｙｉ，ＬＩ Ｙｕｎ－ｇａｎｇ，ＴＩＡＮ Ｙｉｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ，Ｈｅｂｅｉ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔａｎｇｓｈａｎ ０６３００９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｌａｔｅｓｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｃｏｐｐｅｒ－ｂａｓｅｄ ｗｅａｒ－ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｓ ｒｅｖｉｅｗｅｄ，ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｔｙｐｅ ｏｆ ｃｏｐｐｅｒ－ｂａｓｅｄ ｗｅａｒ－ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｍｅｃｈ－ ａｎｉｓｍ．Ｃｅｒａｍｉｃ ｐａｒｔｉｃｌｅ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｐｐｅｒ－ｂａｓｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｈａｓ ｈｉｇｈｅｒ ｗｅａｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｂｅｔｔｅｒ ｈｉｇｈ－ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｌｏｗｅｒ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ａｎｄ ｉｔｓ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｃｏｓｔ．Ｐｏｗｄｅｒ ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ ｉｓ ｓｔｉｌｌ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｒｅ ｏｒ ｃｅｒａｍｉｃ ｐａｒｔｉｃｌｅ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｐｐｅｒ－ｂａｓｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ａｎｄ ｉｎ－ｓｉｔｕ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｌｓｏ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｄｕｅ ｔｏ ｉｔｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｐｐｅｒ－ｂａｓｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ；ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ；ｗｅａｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｐｏｗｄｅｒ ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ；ｉｎ－ ｓｉｔｕ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ
摘 要 ：综 述 了 铜 基 耐 磨 复 合 材 料 的 研 究 发 展 现 状 ，介 绍 了 铜 基 耐 磨 材 料 种 类 、制 备 方 法 和 增 强 机 理 。 指 出 陶 瓷 颗 粒 增强铜基复合材料具有较高的耐磨性、高温力学性能 和 较 低 的 热 膨 胀 系 数，且 制 备 工 艺 简 单、成 本 较 低，粉 末 冶 金 法 仍是当今制备和研究碳纤维和陶瓷颗粒增强铜基复合材料的重要方法，而原位反 应 合 成 技 术 由 于 具 有 显 著 的 技 术 和 经 济 优 势 ，也 具 有 很 好 的 发 展 前 景 。
料。铜和铜合金是传 统 的 高 导 电 （热）材 料，但 由 于 强度低，耐热性差，高 温 下 易 软 化 变 形，其 应 用 范 围 受 到 很 大 的 限 制 。 目 前 ，通 常 采 用 添 加 石 墨 、陶 瓷 颗 粒和合金元素以提高铜基材料的耐磨性。但是合金 化法不能同时满足高传导性能和力学性能的要求， 且铜合金的软 化 温 度 较 低 。 ［１，２］ 颗 粒 增 强 铜 基 复 合 材料具有较高的耐 磨 性、高 温 力 学 性 能 和 较 低 的 热 膨胀系数，其制备 工 艺 简 单、成 本 较 低，并 且 可 以 保 证导电率仍维持在较高水平，近年来发展迅 速［３］，现 已成为国内外材料界的一个研究热点。
１ 前 言
随着机械、冶金、电 子、电 力、矿 山、交 通 以 及 航 空航天工业的迅猛 发 展，铜 基 复 合 材 料 被 广 泛 用 作 集成电路的引线 框 架、灯 丝 引 线、电 阻 焊 电 极、电 动 机电刷、电触头、高 速 列 车 架 空 导 线 等 电 工、电 子 材 料。特别是磁悬浮 等 新 型 交 通 工 具 的 出 现，对 材 料 的导电性、耐磨性和 使 用 寿 命 等 方 面 提 出 了 更 高 要 求 ，迫 切 需 要 开 发 不 仅 具 有 良 好 导 电 （热 ）性 ，而 且 具 有较高机械和耐磨 性 能、较 低 热 膨 胀 系 数 的 功 能 材
纤维增强的铜基复合材料既保持了铜的高导 电、导 热 性，又 具 有 高 强 度 和 耐 高 温 的 性 能。 美 国 ＮＡＳＡ 研 究 中 心 开 发 出 １０％ 钨 丝 增 强 的 铜 基 复 合 材料，比原有 铜 合 金 强 度 提 高 ９０％ 以 上，导 热 率 仅 下降４％，提高了其元器 件 的 使 用 寿 命 和 可 靠 性 。 ［６］ 碳纤维增强的铜基 复 合 材 料 由 于 具 有 自 润 滑、抗 磨 损 和 膨 胀 系 数 低 ，尤 其 是 膨 胀 系 数 可 调 等 特 点 ，在 很 多领域得到应用。 该 材 料 可 用 作 滑 动 触 头 材 料、电 刷、电 力 半 导 体 支 撑 电 极、集 成 电 路 散 热 板 等。２０ 世纪６０年代已有碳 纤 维 增 强 铜 基 复 合 材 料 的 试 制 品 投 入 应 用 ，美 国 和 日 本 都 提 供 了 一 些 专 利 ，国 内 在 碳纤维增强轴承合金领域也取得了一定的进展。其 增强原理是在摩擦 过 程 中，石 墨 相 由 于 质 软 易 受 到 周围基体的挤压而 聚 集 于 摩 擦 表 面，在 对 磨 面 间 形 成一层固体润滑薄 膜，阻 隔 铜 与 石 墨 材 料 对 磨 件 的 直 接 接 触 ，降 低 摩 擦 表 面 的 温 度 ，有 效 防 止 了 粘 着 磨 损的发生，使材料 获 得 低 而 稳 定 的 摩 擦 因 数［７，８］，同 时保证了材料的 导 电 性 能。 目 前，最 简 单 的 制 备 方 法是冷压烧结法，即 将 石 墨 粉 或 碳 纤 维 与 铜 粉 混 合 后冷压烧结，这种方 法 已 在 摩 擦 材 料 的 生 产 中 得 到 广泛应用。但是，由 于 铜 与 碳 的 完 全 不 浸 润 性 使 得 铜／碳 界 面 结 合 很 不 牢 固 ，材 料 很 容 易 从 颗 粒 界 面 处 发生断裂。其主要 缺 点 是 纤 维 脆 性 大，微 观 组 织 不 均 匀 ，各 向 异 性 ，制 造 工 艺 复 杂 ，成 本 较 高 。 因 此 ，用 纤维增强铜基复合材料在大批量应用上仍有一定的 局限。 ３．２ 陶 瓷 颗 粒 增 强 铜 基 材 料
第３期
张 颖 异 ，等 ：高 导 电 高 耐 磨 铜 基 复 合 材 料 的 研 究 进 展
４９
２ 铜基复合材料的国内外研究现状
美 国 于 ２０ 世 纪 ８０ 年 代 开 发 了 氧 化 铝 弥 散 强 化 铜合金，其性能达到 或 超 过 高 性 能 铜 合 金 材 料 的 指 标。美国 ＳＣＭ 公 司 推 出 的 Ｇｌｉｄｃｏｐ Ａｌ－１０、Ａｌ－３５、 Ａｌ－６０合金 （Ａｌ２Ｏ３ 质 量 分 数 分 别 为 ０．２％、０．７％、 １．２％），其电导率分 别 为 ９２％ＩＡＣＳ（国 际 退 火 铜 标 准）、８５％ ＩＡＣＳ、８０％ ＩＡＣＳ，强 度 分 别 为 ５００、６００、 ６２０ ＭＰａ，抗 高 温 软 化 温 度 则 均 在 ８７０ ℃ 以 上。 师 冈利政等 以 ［４］ Ｂ 粉，Ｔｉ粉 和 Ｃｕ 粉 为 原 料 采 用 机 械 合金化和热压烧结 相 结 合 的 方 法，制 造 出 了 性 能 较 好的 ＴｉＢ２／Ｃｕ 材 料。 高 桥 辉 南 等 ［５］ 将 Ｃｕ－Ａｌ粉 和 ＣｕＯ 粉按一定比例混合 后，在 通 入 氩 气 的 高 能 球 磨 机中研磨２０ｈ形成铜基固溶体，于 １ ０７３～１ ２７３Ｋ 温度烧结，从铜基固溶体 中 析 出α－Ａｌ２Ｏ３；此 外 研 究 者还将电解 Ｃｕ粉、高纯度 Ｔｉ粉（Ｚｒ粉）及石墨粉按 比例混合并采用机械合金化制得 ＴｉＣ（或 ＺｒＣ）弥 散 强化铜合金复合材料。