高强度高导电Cu基复合材料的新型制造技术

作者：胡锐 商宝禄 李华伦 周尧和

欢迎访问e展厅 展厅 8 有色金属展厅 铝/铝合金, 镁/镁合金, 钛/钛合金, 铜/铜合金, 镍/镍合金, ... 目前在金属基复合材料研究上出现了一些新的发展趋势 [1] ，①在研究目标上，趋向 于功能性，即从强调优良的综合性能转向只强调其他材料暂时无法超越的个别关键性 能 [2] ②在研究方案上，进—步开发新型的制备工艺，以提高生产率，降低成本 [3] 。正是 在这种背景下，高强度高导电Cu基复合材料正越来越多地受到研究人员的重视。 Cu基复合材料可以同时具有优良的高温性能和高的导电率、导热率。因此，美国奥 林公司开发了CA194及 CA195材料 [4] ，SCM公司开发出了 GL—idcop(Cu—Al2O3) [5] ， 日本也先后开发了 KLF—l、MF 2 0 2 等适于引线框架材料的复合材料 [6] 。但是，由于制备 工艺复杂、成本高，、不能制造大尺寸及形状复杂的零件，所以没有大规模生产。发展新的 技术以简化工艺、降低成本、扩大生产规模，成为一个十分重要的任务。 1 Cu基复合材料新型制造技术 1.1 真空混合铸造法 混合铸造法，即传统的搅拌法，是由英国的 R． Mehrabian和 M． C， Flemings开发出 的一种制造金属基复合材料的工艺 [7] 。尽管这种方法在空气和低压环境下已经得到了 商业应用，但是此法易卷入部分气体，因而材料性能偏低。日本的KiyoshiIchikawa和 MasakazuAchikita进一步将这种方法发展成了真空混合铸造法，并着重研究往Cu中加 入碳化物颗粒以取代电阻率较高的氧化物颗粒 [8] 。采用高导电的碳化物颗粒，可以将颗 粒的体积百分数提高到33vol％，有望获得高强度、高导电的复合材料。 真空混合铸造法是将尺寸为0．68—2μm的WC，TaC，TiC，VC，NbC等金属陶瓷颗粒 用机械搅拌的方法，在真空下与99．99％的纯铜液混合，以使碳化物颗粒分散均匀并打碎 铜凝固时出现的树枝晶。用这种方法制备的复合材料，其碳化物颗粒在整个复合材料铸 锭中从上至下分散均匀，体积百分数可以达到46vol％，但有局部偏聚成团现象。试验证 明，可向该复合材料中加入约30v01％的碳化物颗粒，其电导率比A1203弥散硬化Cu略 高，见图1。但是，这种复合材料的硬度比商业Cu—Al2O3要低得多，后者在含A12O3为 3Vol%时，一般HV值约150,而前者碳化物含量到30vol％时也只在HVl20一150之间， 见图2。这种复合材料铸态抗拉强度最高能达到402MPa，比Cu—Al2O2的500MPa要低 一些，但远高于纯Cu的抗拉强度(140MPa)，但该复合材料的塑性较高，当增强颗粒含量 为3vol％以上时，延伸率—般在30%以上，见图3、图4。 综上所述，碳化物颗粒增强的弥散硬化铜比氧化物弥散硬化铜具有较高的电导率和 延伸率，但是硬度、抗拉强度相对较低，这可能是两类复合材料的状态不同有关，用上述方 法制备的复合材料是铸态，而氧化物弥散硬化铜的状态一般是粉末冶金态，因此造成后者 的硬度和抗拉强度明显高于前者，更进一步的结果还待研究。 1.2 固—液直接反应法 固—液直接反应法，也是近几年发展起来的金属基复合材料新型制备技术之一，最先 主要用于制备铝基复合材料，近来英国Nottingham大学和Park大学的研究人员已开始 用此方法制备Cu基复合材料 [9] 。目前研究的主要增强颗粒的类型是：TiC、TiB2和WC。 Cu／TiC复合材料用Cu／Ti合金与碳黑反应来制备，生成的TiC弥散分布于铜液中， 反应发生在熔液的内部。用该技术制备的 Cu/TiC复合材料TiC的含量可以从5wt％至 55wt％，且与铜液完全润湿并均匀分布，TiC颗粒的尺寸范围为1—15μm。 Cu／TiB2复合材料由 B2O2与Cu／Ti合金反应制成，反应生成的 TiB2颗粒能相对均 匀地分散在铜液中，但是，反应产物中的氧及CO造成材料中有许多气孔，并且孔隙率随 着TiB2含量的增加而增加，当然这会影响该复合材料的电性能，见表1[9]。 在1400℃下用悬浮熔炼和物理机械加入方法将W和碳黑加入到熔融的 Cu液中可 以反应制备出含高度均匀分散的WC的Cu／WC复合材料，WC细小弥散(10μm)，反应十 分迅速且完全。但用此法制备的Cu基复合材料的电导率与机械加入法获得的复合材料 基本相同，电导率很高，有重要的发展意义。但是，总的说来，对于制备Cu／WC复合材 料，固—液直接反应法并不比真空混合铸造法更有优势，而且，由图2、图3可知，这种复 合材料尽管有高的电导率，但硬度和抗拉强度并不高。 1.3 混合合金法 用两种或多种合金液流混合以产生增强相的方法就是混合合金法，它是最近最重要 的进展之一，由美国麻省理工学院的 A．K.Lee、L．E．Sanchez—Caldera、S．T．Oktay和N P.Suh等人发明[10]。用此法可以在铜液中产生纳米级的TiB2颗粒(50nm)。且含5vol％ TiB2颗粒的Cu基复合材料的电导率为76％ IACS。该方法是将Cu—Ti合金和 Cu—B 合金按一定比例放置在石墨坩埚中，然后加热到1550℃。待熔化后混合均匀，则合金中的 Ti和B反应生成TiB2颗粒；或者是将两熔融合金液通过一搅拌器让其充分反应。如果 搅拌不充分，则会在两合金液之间形成一粘稠的 TiB2层，从而阻挡进一步的 Ti、B反应， 这也是这项技术的难点。 1.4 反应喷射成形法(RSD) RSD法是一种最近才发展起来新的制造技术 [11] ，它是基于OSPREY工艺的基本原 理，利用压缩含氧氮气氧化Cu—Al合金雾 滴中的A1，生成细小的Al 2 O 3 颗粒，从而制备 出 Cu—A1 2 O 3 复合材料。由于金属液被气体 分散成许多细小的液滴，因此反应迅速。生 成产物中大多数是Al 2 O 3 ，另一些是CuO或 Cu 2 O，尺寸在100—300(nm)。研究 RSD工 艺发现 [12] ，通过控制混合气体中的氧分压可 控制氧化物颗粒的含量及其尺寸范围。这一 材料经过800℃下热挤压后，其抗拉强度约为 330MPa，高温软化温度最高大约为500℃(见图5)、电导率可达92％ IACS。但这项技术 的问题在于：所制备的复合材料致密度较低、实际利用率太低、工序复杂、控制难度大、设 备昂贵、成本太高。因此还需对上述问题进行进一步的研究。 2 对制备弥散硬化 Cu的传统技术的回顾 目前用于生产弥散硬化Cu的传统技术方法主要有 [13] ：内氧化法、机械混合法、共沉 淀法、尤其以用内氧化法生产的材料强度最高，因此生产上主要以内氧化为主。 内氧化法是在不锈钢管保护条件下，对低铝铜合金粉末进行各种形式的内氧化处理。 该方法的关键是控制氧分压 [14] 。目前，主要利用Cu20的混合物的高温分解来供氧。 机械混合法是由美国 Du Pont公司发明，用于生产了D—Ni(Ni—2．0 v01％ThO2)弥 散硬化合金的一种方法 [15] 。是用了ThO 2 粉末和Cu粉末机械混合而成。 共沉淀法是用硝酸铜和硫酸铝配制成含有一定vol％Al 2 O 3 当量值的水溶液，在20℃ 温度下搅拌添加一定体积分子浓度的铵溶液，经沉淀过滤洗涤后，将沉淀物烘干并使之引 燃成氧化物，最后进行选择性还原处理 [16] 。 以上方法都属于粉末冶金法，所制备的材料强度高、电导率高、软化温度高，已经用于 小规模生产。但是存在易氧化、成本高、工艺复杂、产品尺寸及形状受限制等问题，因此影 响了此材料的进一步发展。 3 结束语 综上所述。传统的制备弥散硬化铜的方法均属于粉末冶金法，所获材料强度高、电导 率、软化温度高，但易氧化、成本高、工艺复杂、产品尺寸及形状受限制。因此大力发展新 型的、主要以铸造技术为基础的Cu基复合材料制造技术是十分必要的。 上述新的制造技术中，真空混合铸造法工艺简单，适应于多种颗粒型Cu基复合材料 的生产，尤其适合Cu／WC复合材料的生产。但是，用这种方法制备的复合材料，界面不 干净，抗捡强度和硬度不高，颗粒较大，弥散程度不高 除了真空混合铸造法外，其余的方法均属于insitu反应合成的方法。由已经开展的 初步性工作可证明，insitu反应合成法可制备陶瓷颗粒增强的 Cu基复合材料，而且颗粒 分布均匀弥散、界面干净；可生产大尺寸的形状复杂零件，生产效率高。其中的混合合金 法有很大的发展潜力。用这种工艺生产的Cu／TiB 2 复合材料具有较高的电导率。但in Situ法也存在一些问题，如制备的Cu／TiC复合材料不适合用于要求高电导率的场合；制 备的Cu／WC复合材料，其性能并不比用真空混合铸造法制备的材料高；反应喷射成形法 在目前还不适合用于制备颗粒增强Cu基复合材料；对于 insitu反应合成法的相关理论 还不十分成熟需进一步完善 [9] 。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/16/2007)