鋁銅微疊層復合材料制備和組織性能研究

姜 營 璽，景 棟，張 華 煒，周 秉 文，孟 令 剛，張 丹 寧，張 興 國

( 大連理工大學 材料科學與工程學院 遼寧省凝固控制與數字化制備技術重點實驗室, 遼寧 大連 116024 )

0 引 言

微疊層復合材料具有多層層狀結構，其結構設計思想是通過將多種性能互補層以交替方式循環堆疊，從而達到改善整體材料的綜合力學性能或物理化學性能的目的．金屬間化合物微疊層復合材料是依據貝殼的結構，將強度硬度較高的金屬間化合物層與韌性很好的殘余金屬層循環堆疊，從而使材料具有較高強度和硬度的同時，又保留良好的韌性[1]．

目前，國內外已研究了許多復層材料體系，如Ti/Al[2-4]、Al/Fe[5-6]、Cu/Al[7]、Ni/Al[8]和Al/Mg[9-11]，而采用熱壓法制備鋁銅微疊層復合材料鮮有報道．鋁銅微疊層復合材料不僅具有銅材優異的導電、導熱性能，同時繼承了鋁材輕質、耐蝕、美觀和經濟等優點．由于其優良的物理性能，鋁銅微疊層復合材料多被研究開發來作為一種功能材料而非結構材料．目前鋁銅微疊層復合材料多應用于鋁銅復合線材、鋁銅復合板帶和鋁銅復合接頭．高鐵要提高列車的運行速度，就必須加大接觸線的懸掛張力，減小接觸線的線密度，具有高抗拉強度的材料能夠滿足這一要求．由于接觸線為高速列車傳輸所需的電能，要求接觸線的導電性良好，盡量減少傳輸過程中的電能損耗．因此，強度和導電率、導熱系數是衡量接觸線材料性能的重要指標．

本文綜合利用Al合金密度低、比強度和比剛度高，及Cu合金優良的導電、導熱性能，通過材料的優化選擇及界面設計和界面相控制，發揮層間距小和多界面強韌化效應，制備具有高強度、高導電性及高導熱性的鋁銅微疊層復合材料．

1 實驗方法

本文采用真空熱壓法制備鋁銅微疊層復合材料．使用厚度0.5 mm的商業T1純銅板和厚度0.5 mm的1060純鋁板作為原始箔材，設計出鋁銅微疊層復合材料進行熱壓成形實驗．金屬箔材成分如表1所示．

表1 原始金屬的化學成分

實驗過程中先進行樣品表面預處理，即將金屬箔裁剪成預定尺寸，將表面打磨、清水洗滌，然后進行酒精超聲清洗，表面烘干．鋁銅微疊層復合材料制備工藝如圖1所示，熱壓過程的外加壓強保持穩定，在升溫階段通過石墨棒傳遞作用施加在樣品上的壓強為15 MPa，保溫階段由于石墨膨脹，樣品所受壓強增至20 MPa．熱壓溫度分別為530、550、570、580 ℃，熱壓時間為4 h．對不同熱壓溫度下制備出的鋁銅微疊層復合材料樣品進行導電和導熱性能測試，從而確定一種較優的鋁銅微疊層復合材料的熱壓工藝．

圖1 鋁銅微疊層復合材料熱壓燒結工藝

利用EPMA對原始金屬層之間的擴散層微觀組織及相組成進行分析，并利用顯微維氏硬度計測量垂直于界面方向的顯微硬度分布．

2 結果及分析

2.1 熱壓溫度對擴散層的影響

對熱壓燒結制備出的微疊層復合材料利用線切割切取中間部分，通過磨制、拋光制備出金相樣品，隨后利用EPMA對樣品進行顯微觀察及定量分析．

圖2顯示了不同熱壓溫度的樣品在40和 850(400)放大倍數下的顯微結構形貌．由圖可見，隨著熱壓溫度的升高，微疊層復合材料的結合界面愈加明顯，金屬間化合物由“塊”變為“層”，且其厚度逐漸增長，同時擴散層的種類也有所增多．如圖2(a)所示，當熱壓溫度為530 ℃時無法觀察到明顯擴散層，而放大到400倍時(圖2(b))可以觀察到結合界面處有少量金屬間化合物生成，且其形狀類似半橢圓，上下兩種化合物組合成一個長而窄的橢圓．同時，可以明顯看出結合界面的更多部位并沒有化合物生成，而僅僅是兩層金屬原材料的貼合，說明此溫度下兩種材料未能形成良好的結合界面．當熱壓溫度升高到550 ℃時，如圖2(c)、(d)所示，40倍下依稀可以看到擴散層的存在，而850倍時則能夠明顯觀察到由3層不同的擴散層構成的結合界面，同時新形成的擴散層較為薄弱．根據銅鋁二元合金相圖可知，新的擴散層產生是因為熱壓溫度升高，原子擴散能力增強，使得銅鋁原子擴散加劇形成了其他金屬間化合物．而570 ℃和580 ℃熱壓時，擴散層的厚度繼續增大，并且擴散層也增加為4層．在40倍下可以較為清晰地看到狹長的擴散層，850倍下則能明顯觀察到不同擴散層的厚度與形貌．與570 ℃相比，580 ℃制備出的樣品擴散層的種類相同，但是厚度有明顯增加．

值得注意的是，580 ℃的熱壓樣品擴散層中不同程度產生了呈彌散分布的條狀裂紋，裂紋方向一致且均垂直于擴散層，如圖2(g)所示．另外，由圖2(h)可見，在靠近鋁側(右側)的第2個擴散層中產生很多孔洞，然而在其他溫度的樣品中并未發現這種現象，這些彌散孔洞的存在會嚴重影響該樣品的導電和導熱性能．

為了確定擴散層的成分，利用EPMA點掃描與線掃描功能對不同溫度熱壓樣品的不同擴散層進行了測試．圖3和表2為點掃描的結果，根據原子分數的不同可以確定出不同熱壓樣品擴散層的數目和種類．數據顯示，530 ℃的樣品有兩種擴散層；550 ℃的樣品有3種擴散層；570 ℃和580 ℃的樣品擴散層則為4種，這與前述顯微形貌觀察的結果一致．通過銅鋁原子比以及查閱銅鋁化合物文獻，可以確定530 ℃的樣品擴散層是CuAl2

表2 EPMA定點分析結果

和Cu9Al4；550 ℃的樣品擴散層為CuAl2、Cu9Al4和CuAl；而570 ℃的樣品擴散層則由CuAl2、Cu9Al4、CuAl和Cu3Al2組成．由此可以確定中間相的生長規律：較低溫度下原子擴散相對緩慢，經過一段時間后分別在銅側形成Cu9Al4而在鋁側形成CuAl2；隨著溫度升高，原子獲得更多的能量，互擴散系數增大，CuAl在CuAl2和Cu9Al4中間區域生成；溫度進一步提升，原子擴散更為劇烈，又生成Cu3Al2新相．分析認為CuAl2和Cu9Al4兩相率先形成，CuAl相次之，最后生成的是Cu3Al2相．

圖4給出了570 ℃熱壓樣品的EPMA線掃描結果．從圖中可以看出結合界面處銅鋁原子含量的變化趨勢，定性判斷出不同擴散層的厚度以及層與層的分界位置(如圖4(b)中虛線所示)．對比點掃描結果可以看出570 ℃時有4種中間相產生，但是線掃描Al原子曲線卻只出現3個較為明顯的平臺．這是因為不同原子的信號接收強度不同，Al原子曲線的接收強度最大值與最小值的值差尚小于700，而且新形成的Cu3Al2相厚度較薄，以至于在接收強度上與含量相差不大的Cu9Al4相難以區分．但是，Cu原子曲線接收強度的值差高達4 000，因此可以明顯觀察到Cu3Al2所對應的平臺．

2.2 顯微硬度分布

圖5(a)為金屬間化合物層的顯微硬度壓痕圖，圖5(b)是鋁銅微疊層復合材料界面上的顯微硬度分布．從硬度分布曲線可以看出，界面處的硬度分布大致呈現由Cu層和Al層向擴散層逐漸增大的趨勢，且在擴散層中部HV硬度達到峰值841.0．觀察Cu層和Al層的邊緣可以發現，越靠近擴散層的部位硬度值越高，而且這一現象在Al層邊緣尤為明顯．產生這一現象的原因是由于Cu、Al原子相互擴散，在形成中間相之前首先形成的是固溶體，固溶強化的作用使得Cu、Al層邊緣硬度升高．另外，可以推斷Cu原子對鋁材的固溶強化作用要大于Al原子對銅材的作用．

由圖5可以明顯看出擴散層邊緣硬度急劇增加，為此在擴散層與Al層的結合處測試硬度，如壓痕8和9所示．根據圖5(a)可以發現壓痕8和9的形狀完整均勻，沒有出現裂紋和破碎現象，這說明雖然在純金屬層和擴散層之間硬度變化急劇，但是并沒有因此產生過大的應力集中引起結合邊緣的分離，也間接表明該熱壓工藝制備的鋁銅微疊層復合材料的界面結合良好．

2.3 鋁銅微疊層復合材料的導電和導熱性能

樣品的導電性采取國際退火銅標準的導電率作為導電性能參考依據；樣品的導熱性以ISO 22007-2為參考標準，采用TPS 2500型號的Hot Disk儀器測試樣品在25 ℃下的導熱系數．

依據測試數據獲得的擴散層厚度、導電率和熱壓溫度的關系如圖6所示．結果表明，4個熱壓溫度下制備的微疊層復合材料的導電率均低于銅、鋁原材料，這是因為金屬間化合物存在的緣故．也就是說，金屬間化合物雖然可以有效連接銅、鋁原材料，構成良好的結合界面來協調銅、鋁之間的受力及變形，但是由于其本身較差的導電率而嚴重掩蓋了原材料導電性能的優勢，最終表現為微疊層復合材料的導電率低于兩種原材料．隨溫度升高擴散層單調增厚，樣品的導電率在530～580 ℃溫度區間出現峰值，即570 ℃下熱壓樣品導電率最優．這說明對微疊層復合材料的導電性能而言并不是擴散層越厚越好，而是擴散層與銅、鋁層的厚度有合理的匹配．在530～570 ℃溫度區間，由于有CuAl等新中間相生成，而且這些中間相的導電率均高于Cu9Al4，是以削弱了Cu9Al4拉低整體材料導電率的影響，從而呈現出隨著擴散層增厚微疊層復合材料導電率升高的趨勢．而在570～580 ℃溫度區間無新相生成，580 ℃ 熱壓樣品中存在的裂紋與孔洞會對材料的導電率造成影響，因此這個溫度區間材料的導電率不升反降．

圖6 擴散層厚度、導電率和熱壓溫度的關系

為了更直觀地分析擴散層厚度對樣品導熱系數的影響，將擴散層厚度、導熱系數和熱壓溫度等參數間的關系表示在圖7中．圖7表明隨著熱壓溫度升高擴散層逐漸增厚，然而微疊層復合材料的導熱系數卻單調下降．分析認為，金屬間化合物的存在使得銅鋁結合界面處形成一個復合較大的熱阻，嚴重影響了整個材料的熱傳導過程．鑒于擴散層增厚的同時其種類也逐漸增多而整體導熱系數下降，因此可以推測后續生成的CuAl等中間相相較CuAl2和Cu9Al4而言導熱性能變差．

圖7 擴散層厚度、導熱系數和熱壓溫度的關系

為了更清晰地分析微疊層復合材料物理性能并確定最佳的制備工藝參數，將導電性能和導熱性能整合為圖8．由圖可見，隨著擴散層的厚度不斷增加，樣品的導電率和導熱系數的變化趨勢并不相同．鑒于導電率和導熱系數并不在一個水平量級，不能簡單通過數值大小來確定最佳制備參數．因此，定義所測數據最大值與最小值的值差除以最小值再乘以100%為所測數據的值差百分比，利用值差百分比作為綜合分析的一種參考．

圖8 導電率、導熱系數和擴散層厚度的關系

由圖8數據計算得到導電率和導熱系數的值差百分比分別為21.9%和4.2%，隨擴散層厚度增加樣品導電率的值差百分比是導熱系數的5倍，即說明導電率隨擴散層厚度的變化幅度更加劇烈．同時考慮到樣品導熱系數相對保持恒定且優于純鋁，因此可以采用側重導電性能的選擇方案來確定較為優良的熱壓工藝參數．從圖8可以明顯看出擴散層為43.43 μm時樣品的導電率最優，并且此時樣品的導熱系數相較最佳值差距不大．所以，確定熱壓溫度570 ℃、保溫時間4 h為熱壓燒結制備鋁銅微疊層復合材料的最佳工藝參數．

研究結果也表明，通過單純熱壓法制備的鋁銅微疊層復合材料雖然具有較好的導熱性能，但是導電性均不如鋁、銅原材料，因此需要進一步優化材料設計和工藝參數，以及采用軋制和熱處理等方法改善金屬間化合物的尺寸和界面形貌，從而獲得具有良好韌性和導電導熱性能匹配的鋁銅微疊層復合材料．

3 結 論

(1)鋁銅微疊層復合材料由高強高硬的金屬間化合物和韌性金屬層構成韌脆交錯的疊層結構，隨著熱壓溫度的升高，結合界面處擴散層的種類逐漸變多、厚度逐漸增加．

(2)高溫下界面產生4種金屬間化合物相，且CuAl2和Cu9Al4相最先形成，隨后反應生成CuAl相，最后生成Cu3Al2相．

(3)鋁銅微疊層復合材料的導電率呈現出先升后降的變化趨勢，其中熱壓溫度為570 ℃時材料的導電率最優；鋁銅微疊層復合材料的導熱系數呈現出單調下降的變化趨勢，其中熱壓溫度為530 ℃時材料的導熱系數最佳．

(4)通過綜合考慮導電率和導熱系數，確定出熱壓溫度570 ℃、保溫時間4 h為熱壓燒結制備鋁銅微疊層復合材料的最佳工藝參數．