Y2O3對Micro-FAST制備銅基復合材料組織與性能的影響*

湯若梅，楊 剛，吳明霞

(四川大學 機械工程學院，成都 610065)

0 引 言

近年來，金屬基復合材料因其高的比強度、比剛度以及良好的耐磨性、耐腐蝕性等特殊性質而備受關注[1-3]。銅及其合金由于具有優異的導電性、導熱性和良好的耐腐蝕性及抗疲勞性，被廣泛應用于電子器件行業中。然而，由于其機械性能差，如較低的硬度及強度、耐熱性差、高溫下易軟化變形等，故制約了其應用范圍[4-6]。

研究表明，向銅基體中引入增強體可以提高銅基體的機械性能而不會降低基體的導熱性和導電性，得到的銅基復合材料具有比銅合金更突出的優點[7-9]，這些復合材料可用作繼電器、接觸器、開關和電子封裝中的電接觸材料。Y2O3是一種介電固體，具有高折射率、高介電常數、大帶隙、低吸收及優異的電擊穿強度。此外，還具有良好的熱力學穩定性及優異的導熱性、耐腐蝕性及抗熱沖擊性能，其獨特性質使其成為銅基復合材料中廣泛使用的增強材料之一[10-12]。

當前，制備銅基復合材料常見的方法包括機械合金化法、粉末冶金法、電解共沉積法、內氧化法等[13-16]。在各種制備方法中，多物理場活化燒結微成形技術(Micro-FAST)由于綠色環保、成型效率高、燒結溫度低，是制備銅基復合材料最有效的技術之一[17-18]。通過施加大電流、低電壓(上萬安培電流、3～10 V左右電壓)的交流電通過粉末/模具體系，并利用焦耳熱效應使粉末體系均勻快速升溫，使粉末體系在多物理場(電場、熱場、力場)耦合作用下，實現快速成形。目前，雖然有一些關于Y2O3/Cu復合材料制備的研究報道，然而，關于Y2O3/Cu復合材料的微觀結構和機械性能研究的文獻較少。為此，本文采用Micro-FAST制備Y2O3/Cu復合材料，研究Y2O3添加量對其微觀組織及性能的影響，以期為Y2O3/Cu復合材料的制備提供借鑒和參考。

1 實 驗

1.1 實驗原材料

使用電解銅粉(紅棕色，平均粒徑25 μm，純度為99.8%)和Y2O3粉(白色，平均粒徑5 μm，純度為99.9%)為原材料，銅粉及Y2O3粉的SEM形貌見圖1。

1.2 樣品制備

將Y2O3粉末含量按0%、0.5%、1%、1.5%、2%(質量分數)與電解銅粉進行配料混合，在罐中加入無水乙醇作為過程控制劑，球料比為10∶1，磨球材料為直徑15 mm的氧化鋯，以150 r/min的轉速球磨4 h，球磨后的粉末被置于干燥箱中在90 ℃下干燥1 h。

實驗設備為Gleeble-1500D熱模擬機，實驗方法為：將混好的粉末準確稱量后裝填入石墨模具，將模具置于Gleeble-1500D熱模擬機的工作腔中，將熱模擬機的工作腔抽真空至10-2～10-3Pa后，在50 MPa的單軸壓力下以50 ℃/s的升溫速度升至預設燒結溫度600 ℃并保溫3 min，保溫結束后斷電取出試樣空冷至室溫，最后得到φ8 mm×10 mm的Y2O3/Cu復合材料燒結圓柱試樣。

1.3 樣品表征與性能測試

實驗結束后，利用阿基米德排水法測試試樣的相對密度；用維氏顯微硬度計測試試樣的顯微硬度，在300 g的載荷下保持15 s；室溫下利用Sigma2008數字渦流金屬電導儀測試試樣的電導率；采用DX-2500X型X射線衍射儀對試樣的物相進行分析；采用Olympus-GX51金相顯微鏡及帶有能譜儀的HITACHI S-4800掃描電子顯微鏡觀察試樣的顯微組織并進行成分分析。

2 結果與討論

2.1 銅基復合材料的物相分析

利用XRD對不同Y2O3添加量所對應的Y2O3/Cu復合材料進行了物相分析。圖2為復合材料的XRD譜圖。

圖2 添加不同質量的Y2O3制備的復合材料的XRD譜Fig 2 XRD patterns of the composites with different Y2O3 contents

從圖2可以看出，圖譜中未顯示出Y2O3的特征衍射峰。由于所添加的Y2O3量較少，球磨后Y2O3在銅基質內均勻分散開來，因此X射線衍射未檢測出來。此外，所有燒結后的樣品除Cu外均未檢測出其它相的存在，表明Y2O3粉與銅基質在球磨及燒結期間不存在化學反應，也未引入其它雜質。

2.2 Y2O3添加量對燒結試樣致密度及硬度的影響

圖3為不同Y2O3的添加量所對應的復合材料相對密度及硬度變化曲線。材料的相對密度是影響材料綜合性能的一個重要物理量，同樣，材料的硬度也是材質的一項重要指標。因此，從Y2O3/Cu復合材料的相對密度及硬度曲線可以看出Y2O3添加量對材料力學性能的影響。

圖3 不同Y2O3添加量制備的Y2O3/Cu 復合材料的相對密度及硬度曲線圖Fig 3 Relative density and hardness of Y2O3/Cu composites with different Y2O3 contents

從圖3可以看出，隨著Y2O3添加量的增加，銅基復合材料的相對密度及硬度均逐漸增大，Y2O3添加量為1.0%時出現峰值，相對密度及硬度分別為99.91%及75.8HV。然而，隨著Y2O3添加量的繼續增加，復合材料的相對密度及硬度均出現略微下降。這是由于Y2O3顆粒的平均粒徑小于銅粉的平均粒徑，燒結時加入少量的Y2O3小尺寸顆?？梢允蛊涑浞殖涮畹姐~基體之間的空隙中，從而減小了粉末之間的空隙，使得粉末之間結合更為緊密因此，添加少量的Y2O3有助于提高復合材料的致密度。然而，受界面效應的影響，Y2O3與銅粉界面結合處存在一定的孔隙，即微裂紋，隨著Y2O3添加量的增加，界面效應影響越來越明顯。因此，當Y2O3添加量超過1.0%時，界面效應開始占主導作用，孔隙數量增加，從而復合材料的相對密度逐漸降低。

2.3 Y2O3添加量對燒結試樣微觀結構的影響

圖4(a)～(e)為不同Y2O3添加量時的Y2O3/Cu復合材料的金相顯微組織照片。從圖4可看出，復合材料的顯微組織具有典型的孿晶特征且較為致密，孔洞較少。

對比圖4(a)～(e)，隨著Y2O3添加量的增加，銅晶粒的平均尺寸先逐漸增大再減小，這與試樣致密度隨Y2O3含量增加而變化的規律一致。這是因為，當Y2O3質量分數較小時，Y2O3顆粒較好地分布于Cu基體中；隨著Y2O3質量分數的增加，Y2O3顆粒在銅基體中分布比較密集；當Y2O3質量分數為2%時，銅基復合材料局部區域出現了Y2O3顆粒分布不均勻的現象，即增強相分布的均勻性變差。增強顆粒與基體中的位錯、晶界相互作用，阻礙位錯和晶界的移動，而銅基體晶粒的長大是通過晶界移動來進行的。因此，隨著復合材料中Y2O3顆粒的增加，銅基體中的Y2O3數量增加，它們對晶界的阻礙作用也越強，銅晶粒尺寸減小，Y2O3顆粒的加入破壞了銅基體的連續性，從而在材料內部產生大量孔隙。而孔隙會阻礙晶界的移動，特別是大孔隙，靠擴散難以消除，會殘留在燒結后的晶界處，從而降低了材料的相對密度，材料致密化越來越困難，影響復合材料性能。

圖5為不同Y2O3添加量的Y2O3/Cu復合材料的SEM形貌和能譜圖。結合EDS能譜分析可知，箭頭所指物質為Y2O3顆粒，其均勻分部在銅基體上。黑色孔洞一部分是由于燒結不致密而形成的孔洞、裂紋，一部分是由于試樣拋光腐蝕后，Y2O3顆粒掉落留下的腐蝕坑。此外，隨著Y2O3含量的增加，復合材料的孔隙率也有所增加，這主要是由于Y2O3顆粒阻礙基體Cu原子的擴散，且顆粒越多，阻礙作用越明顯，孔隙越難填充，可能導致銅基復合材料性能的下降。粉末在燒結時，增強顆粒和Cu基體不發生反應，Y2O3與銅界面結合以機械結合為主。

圖5 不同Y2O3添加量制備的燒結試樣的SEM形貌及EDS圖譜Fig 5 SEM images of Y2O3/Cu composite with different Y2O3 contents

2.4 Y2O3添加量對燒結試樣電導率的影響

圖6為不同Y2O3的添加量所對應的復合材料電導率變化曲線。使用Sigma2008數字渦流金屬電導儀測量燒結樣品的電導率并以International Annealed Copper Standard(國際標準退火銅IACS=58.0 MS/m)作為校準標準?？梢钥闯觯S著Y2O3添加量的增加，Y2O3/Cu復合材料的電導率呈現出先提高后降低的趨勢。同樣，在加入的Y2O3質量分數為1.0%時達到最大，為50.26 MS/m，相對純銅電導率(28.75MS/m)提升了74.4%。

圖6 不同Y2O3添加量制備的燒結試樣的電導率曲線圖Fig 6 Conductivity of the samples with different Y2O3 contents

對于金屬基復合材料，通過自由電子傳輸可以實現電的傳導，電子的定向傳輸受界面散射影響，并且隨著界面散射的增強而減弱。當增強相呈球狀時界面小，散射作用較弱，電導率較高，反之則電導率較低[19- 20]。分析其原因可知，通常情況下，復合材料的導電性與其致密度密切相關，材料的致密度越高，則其導電性也就越好，因此，Y2O3/Cu復合材料導電率與材料的致密度密切相關。隨著Y2O3添加量增加，復合材料的相對密度提高，從而提高了復合材料的電導率。其次，從圖4(a)～(c)可以看出，隨著Y2O3添加量的增加，燒結體的晶粒逐漸粗化，晶粒的粗化減少了晶界的總面積，因此，晶界處的電子散射減少，導電性增強，電導率提高。此外，隨著Y2O3的增加，電子定向傳輸時受到的界面散射減弱，電導率提高。但是，隨著Y2O3添加量的繼續增加，復合材料的相對密度降低，并且根據圖4(d) 、(e)，燒結體的晶粒逐漸減小，晶界面積增加。同時，Y2O3/Cu復合材料界面結合處存在的孔隙數量增加，而Y2O3強化銅基復合材料時，由于Y2O3和Cu熱膨脹系數的差異造成的內應力會導致晶格畸變，引起Y2O3周圍的位錯密度增加，Y2O3顆粒阻礙位錯運動，導致位錯增殖，電子散射增強，以上都在一定程度上增大了散射效應，導致燒結體的電導率出現下降。

3 結 論

(1)采用多物理場耦合活化燒結技術(Micro-FAST)成功制備了Y2O3/Cu復合材料。在燒結溫度為600 ℃、保溫時間為3 min、施加壓力為50 MPa的燒結工藝條件下，當添加的Y2O3質量分數為1.0%時，得到了最佳綜合性能的燒結體，其相對密度、硬度及電導率分別比純銅燒結樣提高了6.8%、41.4%、74.4%，分別達到99.91%、75.8HV及50.26 MS/m。

(2)宏觀力學性能測試及微觀顯微分析表明Y2O3/Cu復合材料的綜合性能優于純銅燒結試樣，Y2O3分散在Cu基體中可起到良好增強相的作用。