高性能弥散强化铜合金制备及应用研究
作者 :  亓伟梅 孙静 李太公

  摘 要:弥散强化铜合金是具有优良物理性能和力学性能的铜合金,主要介绍弥散强化铜的制备方法原位合成的几种方法,同时概述国内外弥散强化铜合金的生产情况和应用领域。
  关键词:高性能;弥散强化铜;制备;研究
  弥散强化铜合金又称氧化铝铜(Cu-Al2O3)合金,该合金是一种优异的高强度、高导电率的新型复合材料。它是以金属铜为基体,在铜基体中加入颗粒细小而又弥散分布的纳米级氧化物Al2O3质点弥散相。由于Al2O3颗粒在合金中含量少在其中弥散分布,所以合金仍具有铜基体高强度、高硬度、高导电率及高软化温度等特性。
  1 弥散强化铜的制备方法
  弥散相三氧化二铝(Al2O3)加入到铜基体中的方法主要由原位合成制备法和非原位合成制备法(又称强制外加法)。所谓原位合成制备法是通过铝与氧发生化学反应在铜基体内合成具有强化作用的弥散相三氧化二铝,用这种方式添加强化相要比直接添加强化相有很多优点,铜和三氧化二铝之间接触面较清晰,加入的弥散相粒子细小,弥散相在合金中均匀分布。原位合成制备法是目前国内外市场上制备弥散强化铜主要的方法。
  原位合成制备方法有一下四种:
  1.1 内氧化法
  在氧气不充足的条件下氧化剂氧选择性地与加入的极少量铝发生氧化反应生成三氧化二铝的方法称为内氧化法,此法是目前制备弥散强化铜合金的主要方法,提供氧化剂氧和控制过程是这种制备方法的关键问题。也就是说我们如何使铜和铝最终转换成Cu-Al2O3合金。
  目前内氧化法仍有很多问题,比如Al2O3对基体铜粉的烧结存在较强的阻碍作用,要制备三氧化二铝铜合金生产成本还较高,产品质量较差,这些都是需要克服的问题,这也使得该合金的应用范围还有限。为克服这些不足,国内外研究这种合金材料的科研机构和高校都做了大量工作,努力改进了制备工艺路线,路线可概括为:铜铝合金熔炼→制粉→制氧源→混料→等静压热处理→冷加工检测→成品。
  1.2 反应球磨制备法
  在球磨的过程中两种或两种以上金属或合金通过发生化学反应制备出所需合金材料的方法称为反应球磨制备法。用反应球磨制备法制备氧化铜铝合金就是铜铝两种金属在球磨过程中通过化学反应合成弥散相粒子。
  球磨方法制备的弥散强化铜优点如下:
  弥散相颗粒尺寸细小、界面洁净、分散均匀;铜基体晶粒在球磨中得以细化,粒度细小将近几十纳米;过程控制技术是球磨反应制备法的关键,若过程控制不恰当不仅会带来杂质,还会严重影响合金的性能。这里特别指明球磨反应过程采取热激化反应和机械活化反应相结合的方式消耗能量大,需用时间短。
  1.3 混合合金法
  混合合金法是两种或两种以上金属采取措施转变成液态经混合后,再经快速冷却过程,最后得到所需材料的方法。最早使用混合合金法制取三氧化二铝强化铜合金的是美国麻省理工学院的研究者们,时间大约是上世纪90年代。采用该法的优点是制备技术先进、生产成本低、生产的材料性能好等。
  1.4 反应喷射沉积法
  弥散相粒子经化学反应合成,合金成型采用反应喷射沉积的一种方法称为反应喷射沉积法。传统制备过程有晶粒大、制备过程复杂、氧化情况严重等不足,这种喷射法克服了这些不足,但是该种方法仍有很多不足之处,需我们继续改进。
  2 国内外弥散强化铜合金的生产情况
  弥散强化铜的工业生产历史悠久,最早是采用内氧化法生产的美国SCM公司,该公司在生产技术成熟后,即投入了生产,随后一些国家开始进行研究学习制备。早期制备的弥散强化铜合金是比较松散的,其致密性根本达不到要求,制备过程中参数不好控制,控制不好强化相就很容易出现粗化现象,而且氧和铝反应也很不完全,这样导致合金中未参与反应的固溶元素会增多,从而显著降低氧化铝铜合金的电导率、强度、硬度等物理性能。上世纪九十年代以来,由于市场的需求,制备强化铜合金的工艺不断改进,制备技术不断开发,市场出现多种制备工艺制备的弥散强化铜合金产品。制备方法虽然有很多种,但是目前内氧化法已经成为强化铜制备的主要方法。
  3 氧化铝铜合金材料的应用领域
  最初使用弥散强化铜合金是用作电极,后又被加工用作焊接,例如用作焊接钢板,组装点焊电池极片、电子电器元件,用作大兴船舶锚链焊接中用作闪光焊电极。
  另外氧化铝强化铜合金还用在导电装置中,还用作引线用,比如白炽灯的引线、二极管的引线;在某些焊接中有时需要大电流,一般铜导线电缆不能满足要求,就用这种强化铜合金。另外一些电器开关的触头、一些热交换器的配件、制作模具的材料都是用的这种合金。随着氧化铝强化铜原位合成工艺的不断改进和研究的不断深入,氧化铝铜合金目前已在电子行业、精密仪器、国防科技等应用较多。
  弥散强化铜合金在高科技领域也有很多应用,如热核实验反应堆,特种装备和高科技领域可以用在热核实验反应堆,电动汽车、高速机车等方面。
  弥散强化铜合金因性能优良,应用领域将越来越广泛。但是目前因为这种合金材料生产仍处在孕育阶段我们国家因发展较晚,而且我们还需在加工工艺、制备成本及技术服务方面不断突破。
  4 结束语
  本研究主要阐述了弥散强化铜合金几种原位合成方法及目前国内外研究情况和合金材料的应用概况。用原位合成法制备的合金材料物理性能比非原位合成的合金优良,正是由于氧化铝铜合金材料和金属铜相比具有这么多优良性能,才使得这种合金材料成为世界各国研究的热点,也正是由于这种合金材料性能优良,才使得其具有很大的生产潜力,而且前途光明。尤其我国由于这种合成制备技术时间较短,设备、工艺、技术相比其他国家还不成熟还不完善,所以以后我们不论在理论方面,还是在实验研究方面及生产制备过程方面,都会需要人们进一步探索。
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  基金项目:山东省星火计划项目(2013XH11009).
  作者简介:亓伟梅(1969-),女,讲师,主要从事化学材料研究。

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