铜基自润滑复合材料综述2

铜基自润滑复合材料综述
1 国内外铜基复合材料的研究现状与发展趋势
近年来，随着电子技术、计算机和信息技术的迅猛发展，焊接电极、接触导线、轴瓦和集成电路引线框架、仪器仪表、电子通信器件中的接触元件等部件种类增多，需求量急剧增大，而且器件向高整化、高集成电路化、高密实装化等方向变化，要求材料不仅具有良好的导电性、导热性、弹性极限和韧性，而且还应具有较好的耐磨性，较高的抗张强度，较低的热膨胀系数，加工性能好；焊接性能、电镀性能及封装、性能良好等一系列优良性能。

自美国Ollin公司首先研制生产Cl9400铜合金替代铁镍合金作引线框架以来，在世界上掀起了研制和生产铜基复合材料的热潮，由于铜基复合材料强度的提高往往伴随着导电、导热性的下降。

如何解决这一矛盾，将是铜基复合材料研究的关键课题。

目前，Cu基复合材料的研究开发国内外非常活跃，抗拉强度在600MPa以上，导电率大于80%LACS的铜基复合材料已成为开发的热点之一。

铜与其它一种金属有良好的融合性，采用Fe、Cr、Zr、Ti等在铜基体中有较大固溶度的合金元素，经固溶和时效处理后，合金元素以单质或金属间化合物的形式弥散析出，析出的弥散相有效阻止位错和晶界的移动，达到强化效果，而且第二相的析出纯化了基体金属，恢复了有固溶处理所降低的导电、导热性，取得了强度和导电导热性的平衡。

如Cu-Ni-Si合金，通过固溶处理，强冷变形并时效处理后，由于在时效过程中调幅结构幅度的变化和沿晶界析出相形核的形成，NiSi相呈颗粒状从晶界上析出，使该合金抗拉强度达到760MPa，导电率43%；又通过对Cu-Cr-Zr系合金固溶处理和时效的控制，使含富Cr的金属间化合物在Cu基体上呈纳米微细结构弥散析出，获得了抗张强度600MPa、电导率80%IACS。

Cu基复合材料所追求的并非只是强度和导电，而是多项性能的综合。

在实际使用过程中，电子器件发热所增加的热量需要通过铜基合金向外散热，因此，作为高强度Cu基复合材料还要求具有良好的导热性能。

在Cu基复合材料的开发应注重以下几个方面：
（1）新材料必须提高能适应部件小型化的加工性能；
（2）Cu基复合材料的开发应注重特定的应用环境，如发动机四周的汽车电器，要求高温应力松弛特性优良的部件等。

引入纤维、晶须、陶瓷颗粒等高强度的强化相增强基体显示出良好的发展前景，其方法是向铜基体内植入稳定的高强度第二相，通过冷变形等加工处理，使第二相以弥散的颗粒状或纤维状分布与基体中，达到机械能和电导性能的最佳匹配。

2 铜基复合材料颗粒增强相的种类
颗粒增强铜基复合材料是指在铜基体中人为地或通过一定工艺生成弥散分布的第二相粒子。

第二相粒子利用混合强化和阻碍位错运动的方式来提高铜基的强度，增加其耐磨性，如Al2O3/Cu复合材料，Ti2B2/Cu复合材料。

通常第二相粒子在铜基复合材料中主要以2种形式分布：（1）在晶粒内部弥散分布；（2）在晶界上聚集分布。

颗粒增强铜基复合材料的力学性能主要取决于铜基体、增强体的性能以及增强体与基体之间界面的特性。

目前较常采用的增强体主要有：碳化物、如SiC、B4C；氮化物，如Si3N4、AlN；氧化物，如Al2O3、SiO2，以及C、Si等，此外还有Fe2P、Ni2Sn、Fe2Ti、Co2P、NiXTIY、MG3P2等一系列中间相。

增强体与基体的化学稳定性与相容性非常重要，它关系到材料的制备和材料长期安全使用的可靠性；增强体与基体的热膨胀系数差值也十分重要，由此引起的材料内部位错密度的变化和内应力场的变化对材料的性能影响很大。

选择颗粒增强相的参数包括：（1）弹性模量；（2）拉伸强度；（3）密度；（4）熔点；（5）热稳定性；（6）热膨胀系数；（7）尺寸及形状；（8）与基体材料的相容性；（9）成本。

具体选择增强相时要将其用途、复合材料的生产工艺及整个复合材料的成本等因素综合起来统筹考虑。

3 铜基复合材料的制备方法
目前，颗粒增强型铜基复合材料的制备方法分为加强制法和内部自生法，前者包括粉末冶金、机械合金法等；后者有原位自生成法、内氧化法等。

现在介绍几种较成熟的颗粒增强型铜基复合材料的的制备方法。

3.1 粉末冶金
粉末冶金的主要工艺为：把一定比例的铜粉与增强相颗粒粉末混合均匀、压制成型后进行烧结，制成烧结体预制件。

然后通过液相浸渗法向增强体预制件中渗铜；熔渗铜有2种方法：压力熔渗法和真空-压力熔渗法[8]。

前者将预制件放入模具预热后，将金属熔体倾入，同时压下压头，使其在压力下熔渗，熔体凝固后即可脱模。

这种工艺方法简单但预制件中的气体不易在凝固前排出而造成气孔与疏松，同时预制件也易发生变形和偏移。

后者是将预制件放入位于承压容器的模具内，先抽真空，排出预制件内的气体，再用气压把金属熔体由通道压入模具内，使之熔渗预制件。

这种方法虽然需要专用设备，但是制件质量好。

粉末冶金法生产铜基复合材料工艺成熟，材料性能好，但生产工艺复杂，成本高，生产效率低，同时复合材料界面易受污染，界面反应严重。

3.2 机械合金法
机械合金法是通过将不同的金属粉末和弥散粒子在高能球磨机中常时间研磨，使金属原料达到原子级水平的紧密结合状态，同时将硬质粒子均匀地嵌入金属颗粒中，得到复合粉末，然后压紧、成型、烧结。

由于在球磨机中引入了大量晶格畸变、位错、晶界等缺陷，互扩散加强，激活能降低，复合过程的热力学和动力学不同于普通的固态过程，能制备出常规条件下难以制备的新型亚稳态复合材料。

用机械合金法合成超微细难熔金属化合物（如NbC、TiC、MoC、NbB、TiB、ZrN），可细小到纳米级的微观结构，从而获得了纳米晶材料，是近年来发展起来的开发铜基复合材料的新方法之一。

用机械合金化方法以纯元素粉末为原料制得合金粉末再结合热处理方法得到氧化物弥散强化或炭化物弥散强化合金可进一步改善合金的性能，这对开发新型弥散强化铜合金复合材料具有重要作用。

3.3 内氧化法
内氧化法是利用化学上的热还原反应原理，即将不稳定的化合物粉末加入到合金粉末中，使合金中的组元与加入的化合物发生热还原反应。

生成所需的更加稳定的陶瓷增强颗粒。

随后将混合粉末烧结、冷热变形制成复合材料。

国内有关氧化的报道基本上都是采用包埋法处理的，而且都是采用基体金属的氧化物作为供氧源。

该方法不可克服的缺点是难于适应工业化大批量生产；气相法可以克服包埋法存在的问题，是理想的内氧化工艺方法。

表1为各种内氧化工艺方法比较实验的结果，处理温度均为750～950℃。

表1 内氧化工艺
研究表明，Cu-Al合金发生内氧化的热力学条件为：上限氧分压（Cu不氧化）；下限氧分压为非定值，与合金的铝含量有关。

铝含量增加，下限氧分压下降。

AL2O3粒子与Cu液的润湿性很差，用传统方法制备这种材料较困难。

用内氧化法不仅可以得到细小弥散分布的AL2O3粒子，而且生成的AL2O3粒子具有较高的热力学稳定性。

但是内氧化法制备的颗粒增强Cu基复合材料中，由于滞留在基体内部的氧化剂难以完全消除，容易造成裂纹、空洞、夹杂等组织缺陷，因此对复合材料的性能产生一定的影响。

4 铜基复合材料现需解决的问题
首先，这类材料的制造工艺较复杂，性能还达不到要求，生产成本偏高，尤其是许多加工制造工艺技术还没有解决，例如回收再生，机加工工艺等问题。

其次，由于增强体颗粒的分布均匀性和界面结合状况是影响复合材料性能的重要因素，所以如何使增加体颗粒均匀分布于铜基体并与铜基体形成良好的界面结合成为颗粒增强铜基复合材料制备过程中所需解决的两个关键问题。

最后，如何在保持Cu的导电导热性能基本不变化的情况下，提高其强度，硬度及耐磨性成为了本次实验所需研究的重点问题。

5 本论文研究的主要内容和工作意义
本论文制备了石墨/铜复合材料，通过对铜基体进行合金化，一方面可以对基体达到细晶强化和固溶强化的目的，另一方面可以提高铜与石墨界面的结合力，以提高石墨/铜复合材料力学性能，从而研究开发出性能更加优异的石墨/铜复合材料来
满足不同应用领域的需求。