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金属基复合材料
金属基复合材料
XX：
李英杰
班级：
材控13-2
学号：
8
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参加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连续过。
从2O世纪7O年代末开场，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/SiCCu/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、机械工业的快速开展,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、导热性能的根底上,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,通过在铜基体中参加或生成具有高强度、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参加而明显降低。
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缺乏。
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〕表现出一些缺乏,如制备温度高、工艺复杂、界面反响严重等。
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、界面无反响,颗粒分散均匀。
同时,还可将材料的制备与成型同时进展,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展考察和优化时,对该工艺所制备材料的性能进展深入研究和探讨。
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外表活性剂进展了考察和筛选。
结果说明,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外表活性剂分别是氟碳外表活性剂FC-4和十二烷基三甲基氯化铵。
采用这两种外表活性剂所制备的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,组织构造致密,外表细密、平整。
在成功选择外表活性剂后,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到达最大。
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到达最大。
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颗粒的含量那么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构造、颗粒含量和镀速等因素,对SiC颗粒和Al2O3颗粒两种复合体系,较为适宜的电流密度为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根底上,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展研究和探讨。
结果说明:
不同粒径SiC颗粒、Al2O3颗粒的参加,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展了测试。
结果说明,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那么是以磨粒磨损为主的磨损机制。
颗粒的参加提高了复合材料的硬度和流变应力,增强了磨损外表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,颗粒的参加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构造和性能的影响,确定了制备复合材料最正确的工艺条件。
对参加不同类型金刚石（纳米级（ND）、微米级（MD）、外表处理纳米级（AND））的铜基复合材料的电导率、抗拉强度、耐磨性等性能进展测试,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展观察和分析。
结果说明:
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那么得到显著提高,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,但在一样百分含量条件下,MD/Cu复合材料的相对密度和电导率高于ND/Cu复合材料,而其硬度和耐磨性那么低于ND/Cu复合材料。
纳米金刚石经外表改性处理后（1100℃保温60min退火）,得到外层为石墨内部为金刚石核-壳的复合纳米构造,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〕在大量实验的根底上,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展了相关研究,结果说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构造的分析,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响,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=664.5MPa,显微硬度Hv100=220,导电率σ=82.5IACS%〔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]。
2.设计制造：
复合材料的界面强度对其性能有直接的影响，适宜的界面强度不仅有助于提高材料的整体性能，还便于将基体所承受的载荷通过界面传递给纤维，充分发挥其增强作用。
由于碳纤维与铜基体的润湿性不好，假设直接复合，C／Cu界面只能通过机械互锁联在一起，致使界面结合强度低，在承受载荷时，易发生碳纤维增强体的拔出、剥离或者脱落，严重限制了复合材料的开展与应用]。
为了解决这一问题，目前多采用化学镀和电镀法等改善C／Cu界面的结合情况。
在此方面，XX大学的王XX等、XX工业大学的凤仪等以及XX交通大学的胡文彬等都做了大量工作，通过对工艺的不断研究和化，可以制备出镀层连续、均匀且无黑心现象的复合丝。
根据制备复合材料时铜基体的状态区分，制备碳纤维增强铜基复合材料的工艺和方法可分为固态法和液态法。
3.性能：
（1）力学性能：
碳纤维增强铜基复合材料的抗弯强度与外表处理工艺、烧结工艺及碳纤维的体积分数有关。
由于化学镀和电镀工艺制成的复合材料界面强度不同，导致2种复合材料具有不一样的抗弯强度。
分别采用复压烧结、冷压烧结、复压复烧和热压烧结4种烧结工艺制备一样短碳纤维体积含量的铜基复合材料，对应的复合材料的抗弯强度呈依次递减态。
在纤维体积分数与抗弯强度的关系方面，唐谊平等指出，采用连续电镀工艺所得的样品，其抗弯强度随着纤维含量的增加而增大，但增大的幅度呈递减趋势；而X金城等网对采用化学镀与电镀混合工艺所制得的复合材料样品进展测试，发现随着碳含量的增加，材料的三点弯曲强度先增大后减小。
（2）物理性能：
在显微硬度的研究方面，唐谊平等通过大量实验得出随着碳纤维体积分数的增加复合材料的硬度值先增大后减小的结沦。
复合材料的显微硬度值也与碳纤维长度有关：
当碳纤维的体积分数低于10时，长度为1ram的铜基复合材料的显微硬度比长度为1～2mm的增强体复合材料的显微硬度高。
X国定等解释为：
纤维在基体中分布不均匀会产生微区力学性能的不均匀性，从而导致材料易发生低应力破坏；增大短碳纤维长度相当于缩短了碳纤维之间的间距，增加了纤维分布的不均匀性，从而加剧了微区力学性能的不均匀性；当材料受载时，这些区域首先发生开裂，而此
时复合材料的承载能力还未完全发挥出来。
在耐磨性方面，国内近几年来主要集中于摩擦磨损机制方面的研究与探讨。
唐谊平等首先对纯铜和短碳纤维增强铜基复合材料的摩擦磨损机制进展了研究，指出2种材料的主要磨损机制分别是粘着磨损和剥层磨损。
在磨损过程中由于短碳纤维能够充当固体润滑剂，限制了基体的变形与软化，从而使复合材料的耐磨性能较纯铜而言有所提高。
基于这个原因，碳纤维含量高的复合材料呈现出更低的摩擦系数、磨损速度以及磨损量。
X春翔等提出，碳纤维的长度也会影响复合材料的磨损性能，由于采用涂覆工艺使短纤涂覆效果差，易在此处形成弱压，这些区域是材料在磨损过程中的缺陷。
纤维含量越高，弱压区越多，从而使复合材料强度越低，磨损量越严重。
因此，在总结了以上结论后，应根据具体环境与条件选择适当的碳纤维长度或体积含量。
4.最新应用：
由以上总结可以得出，碳纤维／铜基复合材料综合了铜的良好导电、导热性以及碳纤维的高比强度和比模量、低热膨胀系数及良好的润滑性，使其呈现出良好的传导性、减摩耐磨性、耐高温性、耐电弧烧蚀性、抗熔焊性和抗老化等一系列优点，现作为一种功能材料已被广泛用作电子元件材料、滑动材料、触头材料、热交换材料、引线框架材料等，用于制造电刷、轴瓦、滑块、触点、集成电路散热板、轨道交通受电弓滑板及火箭发动机零件等机电零部件。
用碳纤维增强铜基复合材料制成的惯性电机电刷工作电流密度可高达500A／cm，实现了耐磨性和导电性的最正确配合；碳纤维增强铜合金可用于滑动轴承和其他滑动材料，具有良好的减摩耐磨性能和较高的力学性能，是含有石墨、二硫化钼等固体润滑剂的轴承材料所无法企及的。
碳纤维铜基复合材料制成的惯性轨道交通用受电弓滑板力学性能高，不易发生滑板折断事故，能够较好地抵御滑板与铜导线的冲击，并能改善其对铜导线的磨损。
同时碳纤维铜基复合材料可代替W、Mo等资源有限、价格昂贵且难加工的金属，制作半导体的支撑电极，因而在高集成度的电子器件中得到了很好的应用。
由于这类材料可设计性好，可以通过控制碳纤维含量及分布来获得不同的性能指标，在制备工艺上相对于碳／铝、石墨／镁而言要简便易行，是一类很有应用前景的新型功能材料。
随着研究的深入，相信碳纤维增强铜基复合材料将在航空航天、能源、电气化铁路、城市地铁、汽车、通讯等领域得到更为广泛的应用。
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