金属基复合材料
[材料科学]金属基复合材料
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三种热等静压工艺
• 先升压后升温：其特点是无需将工作压力 开到最高压力，随着温度升高，气体膨胀， 压力不断升高，直至达到需要压力，适用 于金属包套的工艺制备；
• 先升温后升压：适用于玻璃包套制备复合 材料；
• 同时升温升压：适合于低压成形、装入量 大、保温时间长的工件制备。
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热等静压工艺优缺点
混合
热压 冷压-烧结
坯或零件
封装除氧
挤压
粉末冶金法的工艺流程
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粉末冶金法的优缺点
• 粉末冶金复合法的工艺主要优点是：基体金属或合金 的成分可自由选择，基体金属与强化颗粒之间不易发 生反应；可自由选择强化颗粒的种类、尺寸，还可多 种颗粒强化；强化颗粒添加量的范围大；较容易实现 颗粒均匀化。
• 但材料的成本较高，制备大尺寸的零件和坯料有一定 困难，而且粉末混合和防止氧化是工艺的关键，必须 采取有效措施加以控制，以及微细强化颗粒的均匀分 散困难；颗粒与基体的界面不如铸造复合材料等。
密封袋材的设计较困难
(HIP)
温下，高压气体加压烧结
超高压烧结 用超高压装置在高温下加压 可不用烧结助剂
制品尺寸不能过大
(UHP)
烧结
冲击加压烧结 置粉末于容器中，利用机械 短时间内可以烧结
不易控制
(Dina-Pac) 或炸药产生瞬时高温高压
液相烧结 烧结助剂发挥烧结作用
较低温度下可以进行高密度 若液相以玻化状态残留，
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不连续增强相复合材料的制备工艺
颗粒 晶须 短纤维
铝合金—固态、液态、原位生长、喷射成型法 镁合金—液态法 钛合金—固态、液态法、原位生长法 高温合金—原位生长法 金属间化合物—粉末冶金、原位生长法
金属基复合材料
四、挤压铸造法
挤压铸造法是制造金属基复合材料较理 想的途径，此工艺先将增强体制成预成型 体，放入固定模型内预热至一定温度，浇 人金属熔体，将模具压下并加压，迅速冷 却得到所需的复合材料。
挤压铸造法特点：可以制备出增强相非常 高体积分数（40 %~50 %）的金属基复合 材料，由于在高压下凝固，既改善了金属 熔体的浸润性，又消除了气孔等缺陷，因 此，挤压铸造法是制造金属基复合材料质 量较好，可以一次成型。
六、熔体浸渗法
熔体浸渗工艺包括压力浸渗和无压浸渗。 当前是利用惰性气体和机械装置作为压力 媒体将金属熔体浸渗进多气孔的陶瓷预制 块中，可制备体积分数高达50 %的复合材 料，随后采用稀释的方法降低体积分数。
三、原位生成法
原位生成法指增强材料在复合材料制造 过程中，并在基体中自己生成和生长的方 法，增强材料以共晶的形式从基体中凝固 析出，也可与加入的相应元素发生反应、 或者合金熔体中的某种组分与加入的元素 或化合物之间的反应生成。前者得到定向 凝固共晶复合材料，后者得到反应自生成 复合材料。
原位生成复合材料的特点：增强体是 从金属基体中原位形核、长大的热力学稳 定相，因此，增强体表面无污染，界面结 合强度高。而且，原位反应产生的增强相 颗粒尺寸细小、分布均匀，基体与增强材 料间相容性好，界面润湿性好，不生成有 害的反应物，不须对增强体进行合成、预 处理和加入等工序，因此，采用该技术制 备的复合材料的综合性能比较高，生产工 艺简单，成本较低。
一、搅拌铸造法
搅拌铸造法制备金属基复合材料起源于 1968年，由S.Ray在熔化的铝液中加入氧化 铝，并通过搅拌含有陶瓷粉末的熔化状态 的铝合金而来的。
搅拌铸造法的特点是：工艺简单，操作 方便，可以生产大体积的复合材料（可到 达500 kg），设备投入少，生产成本低， 适宜大规模生产。但加入的增强相体积分 数受到制，一般不超过20 %，并且搅拌后 产生的负压使复合材料很容易吸气而形成 气孔，同时增强颗粒与基体合金的密度不 同易造成颗粒沉积和微细颗粒的团聚等现 象。
金属基复合材料
现代科学的发展和技术的进步，对材料性能提出了更高的要求，往往希望材料具有某些特殊性能的同时，又具备良好的综合性能。
传统的单一材料已经很难满足这种需要。
因此，人们将注意力转向复合材料，复合材料是指由两种或两种以上成分不同，性质不同，有时形状也不同的相容性材料以物理方式合理的进行复合而制成的一种材料。
其以最大限度的发挥各种材料的特长，并赋予单一材料所不具备的优良性能，复合材料的性能还具有可设计性的重要特征。
作为复合材料重要分支的金属基复合材料（MMCs），发展于20世纪50年代末期或60年代初期。
现代材料方面不但要求强度高，还要求其重量要轻，尤其是在航空航天领域。
金属基复合材料正是为了满足上述要求而诞生的。
1.金属基复合材料的分类金属基复合材料（Metal matrix Composite，简称MMCs）是以陶瓷（连续长纤维、短纤维、晶须及颗粒）为增强材料，金属（如铝、镁、钛、镍、铁、桐等）为基体材料而制备的。
金属基复合材料分为宏观组合型和微观强化型两大类。
前者指其组分能用肉眼识别和具备两组分性能的材料(如双金属、包履板等)；后者需显微观察分辨组分以改善成分来提高强度为主要目标的材料。
根据用途分类：（1）结构复合材料：高比强度、高比模量、尺才稳定性、耐热性等是其主要性能特点。
用于制造各种航天、航空、汽车、先进武器系统等高性能结构件。
（2）功能复合材料：高导热、导电性、低膨胀、高阻尼、高耐磨性等物理性能的优化组合是其主要特性，用于电子、仪器、汽车等工业。
强调具有电、热、磁等功能特性。
（3）智能复合材料：强调具有感觉、反应、自监测、自修复等特性。
根据复合材料基体可划分为铝基、镁基、钢基、钛基、高温合金基、金属间化合物基及耐热金属基复合材料等。
按按增强体分类划分为颗粒增强金属基复合材料、层状增强金属基复合材料和纤维增强金属基复合材料。
2.金属基复合材料的性能特点与传统的金属材料相比，金属基复合材料具有较高的比强度与比刚度，而与高分子基复合材料相比，它又具有优良的导电性而耐热性，与陶瓷材料相比，它又具有较高的韧性和较高的抗冲击性能。
金属基复合材料(MMC)制备工艺课件
VS
详细描述
机械合金化法是一种制备金属基复合材料 的有效方法。在球磨机中，将金属粉末与 增强相（如碳纳米管、陶瓷颗粒等）混合 ，在高能球磨过程中，金属粉末与增强相 在剧烈的机械力作用下发生合金化及复合 。该方法具有制备工艺简单、成本低、可 批量生产的优点。
扩散焊接法
总结词
通过在高温和压力作用下，使金属基体与增 强相之间发生相互扩散，实现冶金结合。
用于制备高尔夫球杆、滑 雪板等轻质、高强度的运 动器材。
05 喷射沉积法制备mmc
喷射沉积法的原理
喷射沉积法是一种制备金属基复合材料 的方法，其原理是将两种或多种材料通 过高速喷射流混合，并在快速凝固条件
下形成复合材料。
在喷射沉积过程中，各种材料的颗粒或 液体在高速运动中相互碰撞、混合和分
散，形成均匀的复合材料。
为了获得均匀分布的增强相， 需要采用合适的分散剂和分散
工艺。
常用的分散剂包括表面活性剂 、偶联剂、高分子聚合物等。
分散工艺可以采用球磨、超声 波振动、搅拌等方式。
压制与烧结
压制是将混合分散后的粉末压制成一 定形状和尺寸的预制件。
烧结是使预制件在高温下致密化的过 程，通过物质迁移和组织转变来实现 。
除了上述两种方法外，还有化学沉积法、物理气相沉 积法、熔融浸渗法等方法制备金属基复合材料。
详细描述
化学沉积法是通过化学反应在金属基体上沉积增强相 ，实现复合。物理气相沉积法是利用物理过程，在金 属基体上沉积增强相，制备金属基复合材料。熔融浸 渗法是将增强相（如碳纤维、陶瓷颗粒等）与金属基 体混合，经过熔融、浸渗后冷却固化，制备出金属基 复合材料。这些方法各有特点，适用范围也不同，可 根据实际需求选择合适的制备方法。
金属基体复合材料
金属基体复合材料特点
高比强度、比模量 导热、导电性好 热膨胀系数小、尺寸稳定性好 良好的高温性能 良好的耐磨性
良好的断裂韧性和抗疲劳性能
不吸潮、不老化、气密性能好 容易在高温下发生界面反应
常见的金属基体性能
金属 密度
(g/cm3)
熔点
/℃
比热容
/(J/g/℃)
热导率
（4）颗粒增强复合材料
这里的颗粒增强复合材料
是指弥散的硬质增强相的体积 超过20％的复合材料，而不包 括那种弥散质点体积比很低的 弥散强化金属。此外，颗粒增 强复合材料的颗粒直径和颗粒 间距很大，一般大于1um。 在这种复合材料中，增强 相是主要的承载相，而基体的 作用则在于传递载荷和便于加 工。
/[W/(m∙℃ )]
热膨胀系 抗拉强度 弹性模量 数/(10-6/℃) /(N/mm2) /(kN/mm2)
Mg1.74ຫໍສະໝຸດ 5701.076
25.2
280
40
Al Ti
Ni Cu
2.72 4.4
8.9 8.9
580 1650
1440 1080
0.96 0.59
0.46 0.38
171 7
62 391
23.4 9.5
常用的金属基复合材料制备工艺
根据各种方法的基本特点，把金属基复合材 料的制备工艺分为四大类： (1) 固态法； (2) 液态法； (3) 喷射与喷涂沉积法； (4) 原位复合法。
金属基复合材料的制造工艺
1.液相工艺
部分或全部金属熔化。
液相法有利于密切的界面接触，粘结较强，但界 面反应会产生脆化界面层。
复合材料的应用
金属基体复合材料的制备工艺
金属基复合材料
金属基复合材料的制备
（一）粉末冶金复合法 粉末冶金复合法基本原理与常规的粉末冶金法相同，包括烧结成形法、烧结制坯加塑法加工成形法等适合于分散强化型复合 材料（颗粒强化或纤维强化型复合材料）的制备与成型。 粉末冶金复合法的工艺主要优点是：基体金属或合金的成分可自由选择，基体金属与强化颗粒之间不易发生反应；可自由选 择强化颗粒的种类、尺寸，还可多种颗粒强化；强化颗粒添加量的范围大；较容易实现颗粒均匀化。 缺点是：工艺复杂，成本高；制品形状、尺寸受限制；微细强化颗粒的均匀分散困难；颗粒与基体的界面不如铸造复合材料 等。
（二）铸造凝固成型法 铸造凝固成型法是在基体金属处于熔融状态下进行复合。主要方法有搅拌铸造法、液相渗和法和共喷射 沉积法等。铸造凝固成型铸造复合材料具有工艺简单化、制品质量好等特点，工业应用较广泛。
1、原生铸造复合法 原生铸造复合法（也称液相接触反应合成技术Liquid Contact Reaction：LCR）是将生产强化颗粒的原料 加到熔融基体金属中，利用高温下的化学反应强化相，然后通过浇铸成形。这种工艺的特点是颗粒与基体材料之间的结合状态良 好，颗粒细小（0.25～1.5μm），均匀弥散，含量可高达40%，故能获得高性能复合材料。常用的元素粉末有钛、碳、硼等，化 合物粉末有Al2O3、TiO2、B2O3等。该方法可用于制备A1基、Mg基、Cu基、Ti基、Fe基、Ni基复合材料，强化相可以是硼化 物、碳化物、氮化物等。 2、搅拌铸造法 搅拌铸造法也称掺和铸造法等，是在熔化金属中加入陶瓷颗粒，经均匀搅拌后浇入铸模中获得制品或二次加工 坯料，此法易于实现能大批量生成，成本较低。该方法在铝基复合材料的制备方面应用较广，但其主要缺点是基体金属与强化颗 粒的组合受限制。原因有两方面：①强化颗粒与熔体基本金属之间容易产生化学反应；②强化颗粒不易均匀分散在铝合金一类的 合金熔体中，这是由于陶瓷颗粒与铝合金的润滑性较差，另一个问题是陶瓷颗粒容易与溶质原子一起在枝晶间产生偏析。 3、半固态复合铸造法 半固态复合铸造法是从半固态铸造法发展而来的。通常金属凝固时，初生晶以枝晶方式长大，固相率达 0.2%左右时枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观流动性。如果在液态金属从液相到固相冷却过程中进行强烈搅拌则使树枝晶网 络骨架被打碎而保留分散的颗粒状组织形态，悬浮于剩余液相中，这种颗粒状非枝晶的微组织在固相率达 0.5%～0.6%仍具有一 定的流变性。液固相共存的半固态合金因具有流变性，可以进行流变铸造；半固态浆液同时具有触变性，可将流变铸锭重新加热 到固、液相变点软化，由于压铸时浇口处及型壁的剪切作用，可恢复流变性而充满铸型。强化颗粒或短纤维强化材料加入到受强 烈搅拌的半固态合金中，由于半固态浆液球状碎晶粒对添加颗粒的分散和捕捉作用，既防止颗粒的凝聚和偏析，又使颗粒在浆液 中均匀分布，改善了润湿性并促进界面的结合。 4、含浸凝固法（MI技术） 含浸凝固法是一种将预先制备的含有较高孔隙率的强化相成形体含浸于熔融基体金属之中，让基体 金属浸透预成型体后，使其凝固以制备复合材料的方法。有加压含浸和非加压含浸两种方法。含浸法适合于强化相与熔融基体金 属之间润湿性很差的复合材料的制备。强化相含量可高达30%～80%；强化相与熔融金属之间的反应得到抑止，不易产生偏折。 但用颗粒作强化相时，预成形体的制备较困难，通常采用晶须、短纤维制备预成形体。熔体金属不易浸透至预成形体的内部，大 尺寸复合材料的制备较困难。
金属基复合材料简介及研究现状
3D打印技术
02
利用3D打印技术，实现金属基复合材料的定制化、高效制造
。
多尺度复合技术
03
发展多尺度复合技术，实现金属基复合材料的多层次结构设计
。
05
结论与展望
研究成果总结
金属基复合材料的制备技术得到改进，包括粉末冶金法、喷射沉积法、机械合金 化法等复合材料的应用领域不断扩大，涉及到能源、环保、医疗、航空航天等领 域，且在各个领域中都有显著的应用成果。
02
金属基复合材料的性能与 特点
力学性能
01
02
03
强度与硬度
金属基复合材料具有较高 的强度和硬度，能够承受 较大的应力和压力。
韧性
金属基复合材料的韧性比 金属单质更强，能够吸收 更多的能量，抵抗冲击和 振动。
疲劳性能
金属基复合材料的疲劳性 能较好，能够在反复应力 作用下保持稳定的性能。
物理性能
由于金属基复合材料具有高强度、高刚性和 轻质等优点，因此在航空航天领域得到广泛 应用，如飞机结构件、卫星部件等。
金属基复合材料在汽车工业中也有广泛应用 ，如汽车发动机部件、变速器齿轮等。
能源领域
生物医学领域
金属基复合材料在能源领域也有广泛应用， 如太阳能电池板支架、核反应堆结构件等。
金属基复合材料在生物医学领域也有广泛应 用，如人工关节、牙科种植体等。
扩散法
将增强体和金属基体在高温下进行扩散处理，使两者相互 渗透、结合，形成复合材料。该方法适用于制备连续或非 连续增强金属基复合材料。
喷射沉积法
将增强体和金属熔体通过喷射、雾化等方法制备成复合材 料。该方法适用于制备连续或非连续增强金属基复合材料 。
金属基复合材料的应用领域
金属基复合材料
腐蚀、抗蠕变和耐疲劳等优异性能，主要用于制造高 温下工作的零部件。
（3）钛基复合材料 比任何其他的结构材料具有更高的比强度，且耐热性好
，抗蚀性能优异。
2.按增强体分类 （1）颗粒增强复合材料 （2）层状复合材料 （3）纤维增强复合材料 6.1.2 金属基复合材料中增强体的性质 连续纤维增强对金属基体的增强效果最好，对于纤维状增
除了上述制造工艺外，还有电沉积、金属粉末成型、铸造和 纤维缠绕配合等工艺。常用纤维缠绕加等离子喷涂基体这样 的工艺来制造平板和大直径圆环，具有极好的高温强度和耐 疲劳性能。
对表面磨损和腐蚀不敏感，具有良好的高温性能，但在 500℃以上暴露于氧气中，短时间纤维强度就会受损，可对 纤维表面进行涂层，如涂覆碳化硅层。
▪ （2）基体
▪ 基体应具有良好的综合性能：较高的断裂韧性，较强的阻止 纤维断裂处或劈裂处的裂纹扩展能力；较强的抗腐蚀性，较 高的强度等。对于高温下使用的复合材料，还要求基体具有 较好的抗蠕变性和抗氧化性。此外，基体应能熔焊或钎焊。 应用最普遍的是采用变形铝为基体用固态热压法制得的复合 材料。
强体，对其性能具有以下基本要求：
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金属基复合材料姓名：李英杰班级：材控13-2学号：201301021048铜金属基复合材料摘要：铜基复合材料因其具有优良的力学性能、较高的耐磨性和良好的导电导热性,被广泛应用于电子封装、电刷、电接触元件及电阻焊电极等方面。
寻求既具有高导电导热性又具有良好力学性能的新型增强颗粒,对于铜基复合材料的研究和应用具有非常重要的意义。
纳米金刚石(ND)具有高硬度、高耐磨性、导热性好和热膨胀系数低等优异性能,将其弥散分布到铜体中有望得到具有优良综合性能的铜基复合材料。
本文主要介绍碳纤维增强铜基复合材料，其次还有不同的制备方法和加入不同的增强体的铜基材料。
关键词：碳纤维增强铜基复合材料复合电铸粉末冶金法 Cr3C2颗粒引言：碳纤维增强铜基复合材料以其优异的导电、导热、减摩和耐磨性能以及较低的热膨胀系数而广泛应用于航空航天、机械和电子等领域[1-5]。
正是由于这种材料优异的性能以及在应用方面的优势，国内外对于碳纤维增强铜基复合材料的研究一直没有间断过。
从2O世纪7O年代末开始，国内有关研究机构和高等院校就相继展开了C／Cu复合材料的试验研究，并取得了重要进展[6]。
综合合金化强化、固溶强化、颗粒增强复合材料、形变强化以及时效析出强化等多种手段,对高强高导铜基材料展开研究,成功制备了一种新的Cr3C2颗粒增强Cu基复合材料,并探讨了Cr3C2/Cu复合材料的相关机理[7]。
粉末冶金法是制备短碳纤／铜基复合材料的一种普遍方法。
其中,冷压烧结粉末冶金法只适合制备碳纤维含量较低的碳一铜复合材料[8]。
复合电铸工艺制备颗粒增强铜基复合材料,通过工艺研究、优化,成功制备了颗粒分布均匀,含量可控,材料组织致密、完整的Cu/SiC Cu/Al2O3复合材料。
通过对力学性能、物理性能及摩擦磨损性能的研究考察,确定了复合电铸工艺制备的不同粒径颗粒增强铜基复合材料的性能特点、强化机制,为材料的实际应用提供理论参考[9]。
一、简述不同类型铜金属基复合材料1.复合电铸制备颗粒增强铜基复合材料随着现代航空航天、电子技术、汽车、机械工业的快速发展,对铜的使用提出了更多更高的要求,即在保证铜良好的导电、导热性能的基础上,要求铜具有高强度,尤其是良好的高温力学性能,低的热膨胀系数和良好的摩擦磨损性能。
颗粒增强铜基复合材料应运而生,通过在铜基体中加入或生成具有高强度、高模量、耐磨、耐高温且密度相对较低的第二相颗粒,铜的室温、高温力学性能以及摩擦磨损性能获得显著改善,同时,材料的导电性能不会因颗粒的加入而明显降低。
颗粒增强铜基复合材料的这些优势弥补了铜合金化以后在传导、磨损和高温性能方面存在的不足。
目前,对于高熔点的金属,如铜、镍等,传统的一些物理冶金制备方法（如熔铸法、粉末冶金法等）表现出一些不足,如制备温度高、工艺复杂、界面反应严重等。
另外,随着纳米颗粒在金属基复合材料中更广泛的应用,这些物理冶金方法在解决纳米颗粒的团聚、均匀分散等问题上存在诸多困难,制备难度较大,这在一定程度上限制了纳米颗粒增强铜基复合材料的推广和应用。
但结合复合电沉积原理和电铸技术,采用复合电铸工艺制备颗粒增强铜基复合材料。
该工艺简单、操作温度低、界面无反应,颗粒分散均匀。
同时,还可将材料的制备与成型同时进行,简化了生产工艺，在颗粒增强铜基复合材料的复合电铸工艺进行考察和优化时,对该工艺所制备材料的性能进行深入研究和探讨。
研究内容主要包括以下几个方面:首先对SiC、Al2O3两种颗粒与铜的共沉积促进表面活性剂进行了考察和筛选。
结果表明,对于铜/碳化硅和铜/氧化铝两种复合体系,效果较好的共沉积促进表面活性剂分别是氟碳表面活性剂FC-4和十二烷基三甲基氯化铵。
采用这两种表面活性剂所制备的Cu/SiC、Cu/Al2O3复合材料,颗粒含量高且分散均匀,颗粒与铜基体结合良好,组织结构致密,表面细密、平整。
在成功选择表面活性剂后,重点研究了颗粒添加浓度和颗粒粒径大小、搅拌强度、电流密度以及镀液温度等工艺参数对SiC、Al2O3颗粒与铜共沉积的影响,并得出以下主要结论:（1）不同粒径的SiC颗粒和Al2O3颗粒在镀液中的添加量都存在一个值,使复合材料中颗粒含量达到最大。
低于和高于这个值,复合材料中颗粒含量降低和趋于稳定或略有下降。
（2）存在一个搅拌强度值使微米SiC颗粒和微米Al2O3颗粒在复合材料中的含量达到最大。
而复合材料中纳米SiC颗粒和纳米Al2O3颗粒含量随着搅拌强度的提高而提高。
（3）不同粒径的SiC颗粒在复合材料中的含量都随电流密度的提高而增加。
而复合材料中微米Al2O3颗粒的含量则随电流密度的提高而下降。
纳米Al2O3颗粒的共沉积受电流密度的影响不明显;提高镀液温度对SiC和Al2O3颗粒在复合材料中的含量都是不利的。
综合考虑材料的组织结构、颗粒含量和镀速等因素,对SiC颗粒和Al2O3颗粒两种复合体系,较为合适的电流密度为8A/dm2,镀液温度为30℃。
（4） SiC颗粒、Al2O3颗粒在镀液中添加量的增加,以及两种颗粒粒径的减小对镀速都不利,使得复合电铸的速度降低。
在成功制备颗粒增强铜基复合材料的基础上,对Cu/SiC复合材料和Cu/Al2O3复合材料的力学性能以及强化机理进行研究和探讨。
结果表明:不同粒径SiC颗粒、Al2O3颗粒的加入,提高了铜基复合材料的硬度和强度,材料的塑性降低。
粒径较大的微米颗粒对复合材料硬度的提高效果要大于粒径小的颗粒,但粒径小的颗粒对材料拉伸性能的提高要好于粒径大的颗粒。
纳米颗粒能显著提高材料的硬度和强度,但材料的的塑性下降不显著,仍保持9%以上的延伸率。
纳米颗粒对材料的力学性能的改善优于微米颗粒。
对于微米SiC和微米Al2O3颗粒,复合材料中主要的强化机理是颗粒弥散强化和位错强化;纳米SiC、纳米Al2O3颗粒对复合材料的强化机理主要是Orowan位错强化和细晶强化。
材料断裂的主要机制是裂纹沿颗粒-基体界面生成、扩展,导致界面脱离,最终材料因裂纹贯穿整个材料而断裂破坏。
电铸颗粒增强铜基复合材料的断口形貌为等轴的韧窝,呈明显的韧性断裂特征。
颗粒增强铜基复合材料的导电和热膨胀性能测试结果显示,随微米SiC、微米Al2O3颗粒含量的增加,材料导电性能下降,但仍保持较好的导电性能。
材料的热膨胀系数随颗粒含量增加而降低。
热处理后,材料的热膨胀系数会提高。
纳米SiC颗粒、纳米Al2O3颗粒对材料的导电性能、热膨胀性能的影响不显著。
这为获得高强高导电的铜基复合材料提供了一条有效的途径。
本研究对电铸制备的SiC颗粒、Al2O3颗粒增强铜基复合材料的室温磨损性能进行了测试。
结果表明,电铸纯铜的磨损机制主要是粘着磨损,颗粒增强铜基复合材料则是以磨粒磨损为主的磨损机制。
颗粒的加入提高了复合材料的硬度和流变应力,增强了磨损表面的机械混合层的强度和硬度,减缓对磨件对基体材料的磨损,使复合材料获得较好的耐磨损性能。
在低载荷（100N以内）下,随着颗粒含量和颗粒粒径的增大,复合材料的耐磨性能提高。
在较高磨损载荷（100N以上）下,颗粒的加入有效地延缓了铜基复合材料的严重磨损,但粒径较大颗粒的含量的增加不利于复合材料的磨损性能。
颗粒粒径小的复合材料,特别是纳米颗粒增强复合材料,在高载荷下表现更加稳定,耐磨损性能更优异。
采用复合电铸工艺制备颗粒增强铜基复合材料,通过工艺研究、优化,成功制备了颗粒分布均匀,含量可控,材料组织致密、完整的Cu/SiC、Cu/Al2O3复合材料。
通过对力学性能、物理性能及摩擦磨损性能的研究考察,确定了复合电铸工艺制备的不同粒径颗粒增强铜基复合材料的性能特点、强化机制,为材料的实际应用提供理论参考。
研究所制备的的纳米颗粒增强铜基复合材料表现出优异的力学性能、抗磨性能以及良好的导电性能,为高强高导电材料的制备和应用提供了新的思路[9]。
2.粉末冶金法制备纳米金刚石/铜基复合材料纳米金刚石(ND)具有高硬度、高耐磨性、导热性好和热膨胀系数低等优异性能,将其弥散分布到铜体中有望得到具有优良综合性能的铜基复合材料。
采用粉末冶金冷压-烧结法制备ND/Cu复合材料。
研究了球磨工艺、成型压力、烧结温度和时间等工艺参数对复合材料微观结构和性能的影响,确定了制备复合材料最佳的工艺条件。
对加入不同类型金刚石(纳米级(ND)、微米级(MD)、表面处理纳米级(AND))的铜基复合材料的电导率、抗拉强度、耐磨性等性能进行测试,并利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等对复合材料的微观组织进行观察和分析。
结果表明:随着纳米金刚石含量的增加,ND/Cu复合材料的电导率降低,而其硬度和摩擦磨损性能则得到显著提高,其抗拉强度呈现出先增后减的趋势,其抗软化温度均大于600℃。
当纳米金刚石含量≦1 %时,纳米金刚石可均匀的弥散分布到铜基体中,复合材料的致密度较高,孔隙等缺陷较少。
随着微米金刚石含量的增加,MD/Cu复合材料与ND/Cu复合材料性能变化规律相似,但在相同百分含量条件下,MD/Cu复合材料的相对密度和电导率高于ND/Cu复合材料,而其硬度和耐磨性则低于ND/Cu复合材料。
纳米金刚石经表面改性处理后(1100℃保温60min 退火),得到外层为石墨内部为金刚石核-壳的复合纳米结构,且其团聚现象明显降低,因而可以更均匀的弥散分布到铜基体中,使得AND/Cu复合材料的电导率、抗拉强度、耐磨性等性能优于ND/Cu复合材料[8]。
3.Cr3C2颗粒增强高强高导铜基复合材料Cr3C2颗粒增强Cu基复合材料,主要研究工作如下:（1）在大量实验的基础上,提出了一种制备Cr3C2增强Cu基复合材料的新工艺:电弧炉+石墨坩埚隔离铜坩埚的熔炼技术。
对制备的复合材料组织及性能进行了相关研究,结果表明该复合材料具有良好的力学和电学性能。
（2）通过对试样显微组织结构的分析,提出了在熔铸过程中Cr3C2相的形成机理为:在高温下Cr与石墨坩埚发生强烈反应,导致形成铬的碳化物,并在铜液中扩散,浇铸后得到Cr3C2/Cu材料。
（3）以电弧炉制备的Cr3C2/Cu材料为母合金,采用喷铸技术制备了高性能Cr3C2增强Cu基复合材料,进一步扩大了Cr3C2在Cu基体中的固溶度和细化了晶粒,并经过恰当的形变和时效处理,大大提高了材料的电学和力学性能:抗拉强度σb=664.5 MPa,显微硬度Hv100=220,导电率σ=82.5 IACS%（国际退火铜标准）,软化温度达550℃,可以满足超大规模集成电路引线框架材料所要求的主要性能指标。
（4）利用纯石墨坩埚熔炼的思想,进一步提出中频感应炉制备Cr3C2增强铜基复合材料的工艺。
该工艺的实现主要是采用了自行设计制作的紫铜模,提高了Cu基体固溶合金化元素固溶度的能力[7]。
二、碳纤维增强铜基复合材料1.概念：碳纤维增强铜基复合材料以其优异的导电、导热、减摩和耐磨性能以及较低的热膨胀系数而广泛应用于航空航天、机械和电子等领域[1-5]。