粉末冶金法制备协同增强铜基复合材料的研究进展

粉末冶金法制备协同增强铜基复合材料的研究进展

郑丽娜

      （承德天大钒业有限责任公司  河北承德  067000）

摘要：粉末冶金法相较于其他复合材料制备方法工艺简单、成本低，可以生产多种合金、复合材料，具有易于控制的材料孔隙度、组织均匀、成分易于控制和调节、材料约束小、工艺成熟等优点，其制备的铜基复合材料性能优异，已经成为常用的制备高导热铜基复合材料的方法，其主要制备工艺为：把一定比例的铜粉与增强相混合均匀、压制成形后进行烧结，制备所需的复合块体材料，增强体在铜基体里均匀分散并且形成良好的界面结合，有利于铜基复合材料综合性能的提升。

关键词：粉末冶金；法制备协同；铜基复合材料；研究进展

引言

铜材料具有良好的机械性能、良好的技术性能、优良的导热性和耐蚀性等。广泛用于电力、电子、机械制造和国防工业。但是，铜材料在室温下的强度较低，耐磨性较低，在高温下的流动强度较低，限制了其使用。随着科技的进步，人们对铜材料的性能和使用提出了更高的要求。

1粉末冶金法

粉末冶金是制备金属基复合材料的主要方法之一。改进的相型对铜基复合材料性能影响很大。首先，作者采用粉末冶金工艺制备了Al2O3颗粒强化铜复合材料和MgO，其硬度相似，分别为94.4、93.9HB，高于SiO2/Cu复合材料，这意味着制备的铜基复合材料在以下情况下的性能相似改进阶段预处理是提高铜基复合材料制备效率的有效措施。然后，B4C粉末在表面进行化学预处理，B4C粉末与铜粉和石墨粉末混合。放电等离子体烧结(SPS)是一种新型粉末冶金烧结工艺，用于制备高性能复合材料，方法是将混合材料粉末加载到模具中，激活混合材料粉末并使其变形，然后在特定的烧结应力和压力下冷却。第三，采用SPS法制备纳米/ Cu复合材料，复合材料中铜基粒径仅为185nm，大大低于纯铜(437nm)，晶粒细化提高了复合材料的摩擦性能；通过在复合材料中添加碳纳米管(CNT)，可以制备CNT-sic/Cu nano复合材料，其磨损宽度比纯铜小约200μm，磨损深度降低79%，因为摩擦过程中暴露的碳纳米管会妨碍复合材料与粉末冶金可直接去除接近制造零件形状的复合材料工件，高材料用量可减少后续机械加工步骤和成本；一种选择不同类型和粒径的改良相，避免铜基与改良相反应的制备温度相对较低，从而保证复合材料性能较高的方法。粉末冶金主要用于颗粒分散强化铜基复合材料的制备，是结构构件、摩擦构件和高电导率构件的主要生产手段。但是，粉末冶金工艺比其他方法更复杂，并且受模具形状和尺寸的限制，不适合准备复杂的结构构件。

2协同增强铜基复合材料

2.1陶瓷增强相之间协同

陶瓷强化阶段之间的协调可以大大提高铜材料的强度、硬度和摩擦强度。首先，作者研究了纳米级Al2O3纳米粒子与微米级纳米粒子之间的协调，以改进铜基复合材料，不同尺寸的粒子和粒子间距的存在可能会延缓或加快铜基复合材料的结晶，从而影响铜基复合材料的微观结构。铜基中同时存在Al2O3纳米粒子和微米粒子，可防止重结晶达到细化颗粒的效果，提高铜基的强度、硬度和衰变温度，并在环境温度和温度下保持足够的导热系数和电导率SiC晶格应能使Al2O3纳米粒子分布更加均匀，提高SiC/Cu-Al2O3复合材料的力学性能和电弧焊强度。第三，研究了钨碳化物和硬合金颗粒对铜基复合材料腐蚀磨损行为的影响，颗粒增强含量越高，体积越小，基本材料的塑性变形越小，晶粒间距越小，从而将碳化钨颗粒和硬合金与泡沫铜基材混合，可以去除基体的塑性变形，从而提高材料硬度并减少磨损。

2.2陶瓷颗粒和碳纳米增强相之间协同

陶瓷颗粒硬度强、强度高、碳纳米材料力学性能优良、热力学等性能均可大大提高铜材料的整体性能。首先，对原位合成wc1x纳米粒子和Gr纳米粒子进行了联合改进Cu基材料的研究，wc1x纳米粒子可作为较小但较硬的第二阶段发挥互补的强化作用，同时提高Gr和en的分散性和湿度其次，还对还原钼硫化物(rGO-MoS2)进行了研究，以共同改进铜基复合材料，从而可以共同提高相与基材之间的结合力，并提高所得到的复合材料的力学和摩擦性能。第三，对CNT/铜强化氧化铝复合材料(Al2O3-Cu/CNT)进行了研究，纳米Al2O3可作为活性混合物分散在铜粉中，从而提高了CNT与复合材料中Cu基板之间的结合强度。此外，Al2O3和CNT的均匀分散可能会抑制作物生长。

2.3增强相引入铜基体的方法

2.3.1分子级共混法

分子混合法通过提高水溶液中CNT的分散度，产生了高性能CNT / Cu复合材料。首先，采用水平分子混合法制备了一种改进的铜基复合材料，在分子混合过程中，通过酸碱度控制和自组装过程形成了由碳密集区和低碳区组成的分级结构。分子混合法使强化相均匀分布于铜基中，并与铜基有良好的连接界面。二是采用分子水平混合法，由CNT-Gr协调制备铜基复合材料，在分子混合过程中形成铜氧化物颗粒放大相，使CNT-Gr改善相均匀分布于铜基，提高湿度。

2.3.2原位合成法

原位合成是制备铜基复合材料的一种新方法。由于放大器是在阵列内就地形成的，铜阵列与改进相的界面和兼容性较好，热力学稳定性较高。同时，整个过程更加方便，因为传统制备方法中的改进体预处理阶段被取消。这一过程的唯一缺点是现场生产阶段无法得到精确控制，这使得工艺参数更加苛刻，在一定程度上阻碍了工业化进程。

结束语

通过改进多相协调，在提高铜基复合材料整体性能方面取得了一系列研究成果，这可以实现机械性能和导电性能之间的平衡，但耐磨性和热性能的研究必须传统的复合粉末制备方法在保证增强相完整性、改进相与铜基的均匀融合、研制粉末热液和分子混合方法等方面存在缺陷，可有效实现铜基中增强相的均匀分布由于协同作用和多阶段掺杂铜化合物的研究时间相对较短，而且大多数仍在实验室中，进一步研究基本理论和技术突破是加快铜材料开发的重要指导方针。高合成性能低成本铜基复合材料的大规模制备对于铜的应用开发具有很大的应用潜力。

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