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1、第21卷 第6期 兵器材料科学与工程Vol.21No.61998年 11月 ORDNANCEMATERIALSCIENCEANDENGINEERINGNov.1998高强度高导电Cu基复合材料的新型制造技术胡 锐 商宝禄 李华伦 周尧和(西北工业大学)摘 要 介绍了近几年颗粒增强高强度高导电Cu基复合材料的新型制造技术:真空混合铸造法、固-液直接反应法、混合合金法(Mixalloy)、反应喷射成形法的基本原理、工艺特点和典型性能,同时回顾了内氧化法、机械混合法、共沉淀法等传统的制造技术,分析了各种工艺的优缺点,
2、并指出在进一步完善这些新型制造技术的同时,应建立与之相关的基本理论。关键词 弥散硬化铜 真空混合铸造法 固-液直接反应法 混合合金法反应喷射成形法[1]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[2][3]能;②在研究方案上,进一步开发新型的制备工艺,以提高生产率,降低成本。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[4
3、][5]林公司开发了CA194及CA195材料,SCM公司开发出了GL-idcop(Cu-Al2O3),[6]日本也先后开发了KLF-1、MF202等适于引线框架材料的复合材料。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。1Cu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,是由美国的R.Mehrabian和M.C.Flemings开发出[7]的一种制造金属基复合材料的工艺。尽管这种方法在空气和低
4、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[8]入碳化物颗粒以取代电阻率较高的氧化物颗粒。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航空高等院校自
5、选科研课题资助项目1997年10月16日收到稿件,1998年5月11日收到修改稿胡 锐 30岁 博士研究生 西北工业大学凝固技术国家重点实验室 西安市 710072©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.第6期 胡 锐等:高强度高导电Cu基复合材料的新型制造技术 41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
6、现象。试验证明,可向该复合材料中加入约30vol%的碳化物颗粒,其电导率比Al2O3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Al2O3为3vol%时,一般HV值约150,而前者碳化物含量到30vol%时也只在HV120～150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-Al2O3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,延伸率一般在30%以上,见图3、图4。综上所述,碳化物
7、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图1 碳化物含量与电导率关系 图2 碳化物含量与硬度关系 图3 碳化
8、物含量与强度的关系图4 碳化物含量与延伸率关系©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.42 兵器材料科学与工程 第2
