高強高導TiB2-Cu基復合材料的研究現狀及展望

何代華, 劉 平, 劉新寬, 馬鳳倉, 李 偉, 陳小紅, 郭奎選, 劉 婷

(上海理工大學 材料科學與工程學院,上海 200093)

0 前 言

高強度導電材料在航空、航天、電工及電子等行業有著極為廣泛的用途,如電車及電力火車架空導線、大容量觸頭開關、電阻焊電極、電觸頭、集成電路引線框架等,都需要既具有高導電導熱性又具有高強度的耐熱穩定性材料[1].銅基復合材料具有高耐熱穩定性和高強高導的特點,克服了傳統銅合金的某些不足,大大提高了使用溫度范圍,能較好地滿足以上需求,因此,銅基復合材料近年來得到了較大的發展.

利用彌散耐熱穩定性好的陶瓷粒子強化銅基體是一種很好的方法.其中TiB2陶瓷顆粒具有高熔點、高硬度、高彈性模量,耐磨性好,熱膨脹系數較低和高導電導熱等特性,同其他陶瓷增強材料相比,它使金屬的導電率、熱導率下降量較小,使得TiB2-Cu基復合材料具有較高的導電率和高的軟化溫度,因而TiB2作為銅基增強相的研究，已成為復合材料研究領域的一大熱點[2-3].TiB2-Cu基復合材料既具有優良的導電性,又具有高的強度和優越的高溫性能,被認為是極有發展潛力和應用前景的新型功能材料,已逐漸受到各國的高度重視[4-5].

TiB2增強銅基復合材料的力學性能，主要取決于銅基體、增強體的性能以及增強體與銅基體之間界面的特性.用于制備TiB2-Cu基復合材料的傳統方法，主要是非原位復合方式,即直接添加陶瓷強化粒子到熔融或粉末基體中,強化相與陶瓷-金屬基復合材料的合成不是同步完成.但外加的增強顆粒往往比較粗大,增強體與基體潤濕性差,顆粒/基體界面反應始終是影響傳統攪拌鑄造和粉末冶金的技術難題[6].本文主要介紹了目前較有發展前途的、能使第二相彌散分布于基體中、甚至具有納米級顆粒增強銅基復合材料的原位復合制備方法.

1 納米級顆粒增強銅基復合材料的制備方法

1.1 機械合金化法

機械合金化法(MA)是Benjamin[7]等于20世紀60年代為解決TiB2-Cu基復合材料中的浸潤性問題而最先提出的,其原理是利用固態粉末直接形成合金的一種方法,后來為廣大學者接受并廣泛使用.

Biselli[7]等在1994年利用機械合金化法球磨Cu、Ti和B粉,經適當的熱處理制取出TiB2-Cu復合材料.X射線衍射和EDS分析表明,球磨粉只有加熱到600 ℃附近才反應生成TiB2,到800 ℃附近反應完成.TEM觀察發現,Cu-5%(體積百分比)TiB2合金700 ℃擠壓后在晶粒內部和晶界上分布有5～15 nm的TiB2粒子.球磨粉在退火初期,硬度不斷增加,到600 ℃附近達峰值,這是由于Ti和B粉發生反應生成穩定的硼化物所致,更高溫度時硬度稍有降低,但降幅很小.西安交通大學董仕節[8-9]等研究了燒結工藝和TiB2含量對TiB2增強銅基復合材料性能的影響.提出TiB2/Cu復合材料導電率定量計算公式如下[10]:

(1)

σ為銅基復合材料導電率,σ0為基體銅的導電率,c為TiB2體積含量.

李京徽[11]采用機械合金化方法,先球磨制備Cu-TiB2復合粉末,然后通過壓制燒結方法制備Cu-TiB2復合材料.提出了機械合金化法制備Cu-TiB2復合材料的合理工藝是:球磨時間60 h,壓制壓力400 MPa,燒結溫度900 ℃,保溫時間2.5 h.

機械合金化法是在固態下實現合金化,不經過氣相、液相,不受物質的蒸汽壓、熔點等物理特性因素的制約,使過去用傳統熔煉工藝難以實現的某些物質的合金化、遠離熱力學平衡的準穩態、非平衡態及新物質合成等成為可能;增強相與基體具有很好的結合性;增強相顆粒分布均勻,尺寸細小.唯一的缺點是制備過程中可能帶入雜質,純度不夠高.

1.2 自蔓延高溫合成法

自蔓延高溫合成法(SHS)是1967年由前蘇聯學者Merzhannov等發明的,是利用放熱反應使混合體系的反應自發地持續進行,生成金屬陶瓷或金屬間化合物的一種方法.劉利[12]等采用自蔓延高溫燃燒合成技術研究了材料體系對合成過程中產物特性(溫度、燃燒速度及產物等)的影響.研究結果表明,在體系中添加一定的金屬鉬或鐵,明顯改善了體系的潤濕性;鉬或鐵的加入使產物中金屬分布更加均勻,大大降低了產物孔隙率.同時鉬的加入還明顯降低了晶粒尺寸.

SHS法制備金屬基復合材料有生產過程簡單、反應迅速、反應溫度高以及易獲得復雜相或亞穩定相和應用范圍廣等特點.但缺點是反應難以控制,產品空隙率高,難以獲得高密度的產品,不能嚴格控制反應過程和產品的性能,所用原料往往可燃、易爆或有毒,需要采取特殊的安全措施.

1.3 粉末冶金法

粉末冶金法是生產銅及銅基復合材料結構件、摩擦材料和高導電材料的重要方法[13].制備TiB2-Cu一般采用直接混合法和包覆混合法制取[14].主要工藝過程包括:(1)制取復合粉末;(2)復合粉末成型;(3)復合粉末燒結.吳波[15-16]等以Cu、Ti、B4C合金粉末為原料,制備了TiB2-Cu復合材料,得出最佳工藝參數為:以TiB2理論生成量為5%(質量分數)配料,在800 MPa壓力下對球磨后的合金粉末進行模壓,在1 273 ℃經4.5 h保溫燒結,經原位反應可獲得TiB100彌散增強的銅基復合材料.試樣的導電率為:20.2%IACS,硬度(HV)為161.張劍平[6]等采用粉末冶金法制備了TiB2-Cu復合材料,研究了真空加熱燒結和微波燒結兩種不同燒結方式對該復合材料組織和性能的影響.

粉末冶金法是最早用來制造金屬基復合材料的方法,雖然有很多優點,如可實現多種類型的復合,充分發揮各組分材料的特性,是一種低成本生產高性能復合材料的工藝技術.但由于基體和增強相在尺寸、形狀和物理化學性能上有很多差別,提高TiB2增強相與銅基體的潤濕性,提高基體與增強相之間的界面結合強度,從而提高復合材料的綜合性能,將依然是TiB2-Cu基復合材料的研究方向.

1.4 噴射沉積法

噴射沉積法制備TiB2-Cu基復合材料,主要包括傳統噴射沉積法和反應噴射沉積法.傳統噴射沉積法是熔煉好含反應元素的合金后再進行噴射沉積[17].此方法是在銅合金熔體內反應元素間發生化學反應生成彌散粒子,然后利用噴射沉積法使強化粒子均勻分布在銅基體內.反應噴射沉積法是利用液滴與反應氣體、注入的粒子或不同合金的液滴間發生原位化學反應合成彌散強化銅合金[18-19].在反應噴射沉積過程中,由于液滴的比表面積大和處在高溫狀態,能使反應元素間在液滴飛行過程中或在沉積后,能在銅基體內部原位合成細小的彌散強化相.噴射沉積法的優點主要是:晶粒細小,無宏觀偏析、顆粒均勻分布于基體中;一次性快速復合成坯料,生產工藝簡單,效率高.

2 高強高導TiB2-Cu基復合材料的研究展望

隨著復合材料技術的發展,原位復合法得到了迅速發展,該材料以其獨特的優點,在高強高導電性TiB2-Cu基復合材料的制備方面顯示出巨大的應用潛力和良好的發展前景.高強度導電TiB2-Cu基復合材料是綜合性能優良的新興材料,這類材料在現代國防和民用工業領域有著很大的應用潛力.自20世紀70年代以來,高強度導電銅基材料的開發研究一直非常活躍,除了開發出多種高強度導電銅基復合材料外,還派生和創造出許多新的制備技術,對此類材料的基礎理論也開展了廣泛的研究.現有的高強度導電TiB2-Cu基材料的開發及制備技術還存在諸多難題,我國在這方面的研制與發達國家相比還存在較大差距.因此,借鑒國外經驗,今后的研發工作主要著眼于以下幾個方面:

(1) 對現有制備工藝的研究和改進.如在傳統的粉末冶金法中引入由微波加熱與基座輻射加熱相結合的新型工藝;原位合成技術與粉末冶金技術的綜合運用等,由單一的制備方法向幾種工藝相復合的方向發展.

(2) TiB2增強相向超細化、納米化方向發展.納米增強相尺寸較小,容易聚集,所以可使納米增強相的表面改性;TiB2納米粒子與基體的界面相互作用機制,可優化界面結構,充分發揮界面的增強效應;納米TiB2增強相在銅基體中更加均勻彌散地分布等是研究的熱點.

(3) 增強相也由單一的TiB2顆粒向復合陶瓷顆粒方面發展.如增加TiB2和Al2O3兩相顆粒進行復合增強.

(4) 充分發揮材料的設計自由性,探索高性能、低成本和容易大規模生產的TiB2-Cu銅基復合材料的制備工藝,推進高強度導電材料的產業化應用,將成為今后研究的重要課題.

3 結束語

基于TiB2-Cu基復合材料優良的導電性、高強度和耐高溫等一系列優異性能,今后圍繞其導電性和強度展開研究仍是一個熱點,進而簡化工藝流程、降低生產成本,逐漸工業化也是今后的研究方向.特別是隨著我國高鐵系統的發展,TiB2-Cu基復合材料的需求缺口很大,所帶來的市場經濟效益相當可觀.

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