高性能彌散強化銅合金制備及應用研究

亓偉梅 孫靜 李太公

摘 要：彌散強化銅合金是具有優良物理性能和力學性能的銅合金，主要介紹彌散強化銅的制備方法原位合成的幾種方法，同時概述國內外彌散強化銅合金的生產情況和應用領域。

關鍵詞：高性能；彌散強化銅；制備；研究

彌散強化銅合金又稱氧化鋁銅（Cu-Al2O3）合金，該合金是一種優異的高強度、高導電率的新型復合材料。它是以金屬銅為基體，在銅基體中加入顆粒細小而又彌散分布的納米級氧化物Al2O3質點彌散相。由于Al2O3顆粒在合金中含量少在其中彌散分布，所以合金仍具有銅基體高強度、高硬度、高導電率及高軟化溫度等特性。

1 彌散強化銅的制備方法

彌散相三氧化二鋁（Al2O3）加入到銅基體中的方法主要由原位合成制備法和非原位合成制備法（又稱強制外加法）。所謂原位合成制備法是通過鋁與氧發生化學反應在銅基體內合成具有強化作用的彌散相三氧化二鋁，用這種方式添加強化相要比直接添加強化相有很多優點，銅和三氧化二鋁之間接觸面較清晰，加入的彌散相粒子細小，彌散相在合金中均勻分布。原位合成制備法是目前國內外市場上制備彌散強化銅主要的方法。

原位合成制備方法有一下四種：

1.1 內氧化法

在氧氣不充足的條件下氧化劑氧選擇性地與加入的極少量鋁發生氧化反應生成三氧化二鋁的方法稱為內氧化法，此法是目前制備彌散強化銅合金的主要方法，提供氧化劑氧和控制過程是這種制備方法的關鍵問題。也就是說我們如何使銅和鋁最終轉換成Cu-Al2O3合金。

目前內氧化法仍有很多問題，比如Al2O3對基體銅粉的燒結存在較強的阻礙作用，要制備三氧化二鋁銅合金生產成本還較高，產品質量較差，這些都是需要克服的問題，這也使得該合金的應用范圍還有限。為克服這些不足，國內外研究這種合金材料的科研機構和高校都做了大量工作，努力改進了制備工藝路線，路線可概括為：銅鋁合金熔煉→制粉→制氧源→混料→等靜壓熱處理→冷加工檢測→成品。

1.2 反應球磨制備法

在球磨的過程中兩種或兩種以上金屬或合金通過發生化學反應制備出所需合金材料的方法稱為反應球磨制備法。用反應球磨制備法制備氧化銅鋁合金就是銅鋁兩種金屬在球磨過程中通過化學反應合成彌散相粒子。

球磨方法制備的彌散強化銅優點如下：

彌散相顆粒尺寸細小、界面潔凈、分散均勻；銅基體晶粒在球磨中得以細化，粒度細小將近幾十納米；過程控制技術是球磨反應制備法的關鍵，若過程控制不恰當不僅會帶來雜質，還會嚴重影響合金的性能。這里特別指明球磨反應過程采取熱激化反應和機械活化反應相結合的方式消耗能量大，需用時間短。

1.3 混合合金法

混合合金法是兩種或兩種以上金屬采取措施轉變成液態經混合后，再經快速冷卻過程，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鋁強化銅合金的是美國麻省理工學院的研究者們，時間大約是上世紀90年代。采用該法的優點是制備技術先進、生產成本低、生產的材料性能好等。

1.4 反應噴射沉積法

彌散相粒子經化學反應合成，合金成型采用反應噴射沉積的一種方法稱為反應噴射沉積法。傳統制備過程有晶粒大、制備過程復雜、氧化情況嚴重等不足，這種噴射法克服了這些不足，但是該種方法仍有很多不足之處，需我們繼續改進。

2 國內外彌散強化銅合金的生產情況

彌散強化銅的工業生產歷史悠久，最早是采用內氧化法生產的美國SCM公司，該公司在生產技術成熟后，即投入了生產，隨后一些國家開始進行研究學習制備。早期制備的彌散強化銅合金是比較松散的，其致密性根本達不到要求，制備過程中參數不好控制，控制不好強化相就很容易出現粗化現象，而且氧和鋁反應也很不完全，這樣導致合金中未參與反應的固溶元素會增多，從而顯著降低氧化鋁銅合金的電導率、強度、硬度等物理性能。上世紀九十年代以來，由于市場的需求，制備強化銅合金的工藝不斷改進，制備技術不斷開發，市場出現多種制備工藝制備的彌散強化銅合金產品。制備方法雖然有很多種，但是目前內氧化法已經成為強化銅制備的主要方法。

3 氧化鋁銅合金材料的應用領域

最初使用彌散強化銅合金是用作電極，后又被加工用作焊接，例如用作焊接鋼板，組裝點焊電池極片、電子電器元件，用作大興船舶錨鏈焊接中用作閃光焊電極。

另外氧化鋁強化銅合金還用在導電裝置中，還用作引線用，比如白熾燈的引線、二極管的引線；在某些焊接中有時需要大電流，一般銅導線電纜不能滿足要求，就用這種強化銅合金。另外一些電器開關的觸頭、一些熱交換器的配件、制作模具的材料都是用的這種合金。隨著氧化鋁強化銅原位合成工藝的不斷改進和研究的不斷深入，氧化鋁銅合金目前已在電子行業、精密儀器、國防科技等應用較多。

彌散強化銅合金在高科技領域也有很多應用，如熱核實驗反應堆，特種裝備和高科技領域可以用在熱核實驗反應堆，電動汽車、高速機車等方面。

彌散強化銅合金因性能優良，應用領域將越來越廣泛。但是目前因為這種合金材料生產仍處在孕育階段我們國家因發展較晚，而且我們還需在加工工藝、制備成本及技術服務方面不斷突破。

4 結束語

本研究主要闡述了彌散強化銅合金幾種原位合成方法及目前國內外研究情況和合金材料的應用概況。用原位合成法制備的合金材料物理性能比非原位合成的合金優良，正是由于氧化鋁銅合金材料和金屬銅相比具有這么多優良性能，才使得這種合金材料成為世界各國研究的熱點，也正是由于這種合金材料性能優良，才使得其具有很大的生產潛力，而且前途光明。尤其我國由于這種合成制備技術時間較短，設備、工藝、技術相比其他國家還不成熟還不完善，所以以后我們不論在理論方面，還是在實驗研究方面及生產制備過程方面，都會需要人們進一步探索。

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基金項目：山東省星火計劃項目（2013XH11009）.

作者簡介：亓偉梅（1969-），女，講師，主要從事化學材料研究。