顆粒增強銅基復(fù)合材料專利分析

楊文昭 陳帥

摘 要：本文對顆粒增強銅基復(fù)合材料領(lǐng)域的專利申請進行充分檢索和統(tǒng)計，全面分析該領(lǐng)域國內(nèi)外專利申請情況，對該技術(shù)領(lǐng)域中制備方法相關(guān)專利技術(shù)演進和發(fā)展脈絡(luò)進行梳理和統(tǒng)計分析，最后對該技術(shù)未來發(fā)展提出了預(yù)測。

關(guān)鍵詞：銅合金;顆粒;復(fù)合材料;專利

中圖分類號：TB333 ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? 文章編號：1003-5168（2021）30-0106-03

Abstract： In this paper， the patent applications in the field of particle-reinforced copper-based composite materials are well searched and counted. The status of patent applications for particle-reinforced copper-based composite materials at home and abroad is comprehensively analyzed. Besides， the evolution and development of related patent technologies in this technical field are sorted out and statistically analyzed. Finally， the future development of this technology is predicted in this paper.

Keywords： copper alloy; particle; composite material; patent

本文基于以對顆粒增強銅基復(fù)合材料專利技術(shù)的了解，根據(jù)各個專利數(shù)據(jù)庫的收錄文獻數(shù)量和文獻分布等特點，分別選擇中文專利數(shù)據(jù)庫CNABS和外文專利數(shù)據(jù)庫VEN，采用IPC分類號和關(guān)鍵詞相結(jié)合的方式對該領(lǐng)域的專利申請進行全面檢索統(tǒng)計，并對國內(nèi)外顆粒增強銅基復(fù)合材料的專利申請進行分析。

1 顆粒增強銅基復(fù)合材料概況

銅合金具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能和延展性能，以銅基合金為基體，在其中加入顆粒、纖維、晶須、碳材料等作為增強體，獲得銅基復(fù)合材料，使得銅合金在保留原有性能的基礎(chǔ)上進一步提高強度、耐磨性、熱穩(wěn)定性等性能。顆粒增強銅基復(fù)合材料是其中最常見的種類，國內(nèi)外已經(jīng)有許多相關(guān)研究，并且已經(jīng)取得很多成果。

2 顆粒增強銅基復(fù)合材料的制備方法

目前，銅基復(fù)合材料的制備方法主要有固態(tài)法和液態(tài)法，固態(tài)法包括粉末冶金法、機械合金化法、內(nèi)氧化法和化學(xué)鍍法等，這幾種制備方法都涉及粉末的制備和燒結(jié)，主要不同在于其粉末制備方法。液態(tài)法有鑄造法、噴射沉積法等，而原位自生成法既可以在固態(tài)、也可以在液態(tài)下進行。液態(tài)法的主要缺點是增強體與基體反應(yīng)嚴重，顆粒容易團聚長大以及液態(tài)金屬含氣量大。相比之下固態(tài)法沒有上述缺點，但成本相對較高[1]。

3 專利技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)

以顆粒增強銅基復(fù)合材料的制備方法為研究對象，對其技術(shù)演進和發(fā)展脈絡(luò)進行分析。圖1顯示出不同制備方法的技術(shù)演進路線，下面對各個制備方法的技術(shù)脈絡(luò)進行分析。

對于粉末冶金法，ISHIZUKA GLASS公司首先在1974年（US19740464931A）將金屬包覆玻璃陶瓷顆粒以粉末冶金法加入銅合金中，提高了材料的耐磨性能。隨后在20世紀80年代開始，日本陸續(xù)申請了一系列粉末冶金法制備的顆粒增強銅基復(fù)合材料，MITSUI ALUM KOGYO三井株式會社添加硼和硼化物，提高了材料的硬度和電導(dǎo)率（JP2021683A），SUMITOMO ELECTRIC IND CO住友電氣工業(yè)株式會社添加碳化硅提高了材料的熱導(dǎo)率（JP36929998A），TAIHO KOGYO CO LTD添加硫化物顆粒提高了材料的潤滑性（JP2004220238A）。進入21世紀后，我國出現(xiàn)了大量粉末冶金法制備顆粒增強銅基復(fù)合材料的專利申請，北京科技大學(xué)添加了金剛石，獲得了具有高熱導(dǎo)率和低熱膨脹系數(shù)的材料（CN201210091758），吉林大學(xué)添加立方氮化硼，獲得的材料具有高耐磨性、低電阻率、高抵抗、高溫塑性變形的性能（CN201410809639）。

對于熔煉鑄造法，日本HITACHI LTD日立株式會社在1970年最早采用該方法添加了MoS2、WS2、PbO、石墨、Mn5Si3，提高了材料的潤滑性能（JP1186570A）。美國COPPER RANGE公司添加了TiC，提高了材料的蠕變性能和導(dǎo)電性（US19720225003）。進入20世紀80年代后，日本MIYOSHI GOKIN KOGYO、ISHIKAWAJIMA HARIMA HEAVY IND、HITACHI LTD分別制備出了添加ZrO2、碳化硅、氧化亞銅，獲得了具有抗高溫軟化、高摩擦系數(shù)、高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電、低熱膨脹系數(shù)的顆粒增強銅基復(fù)合材料（JP856284A、JP30216395A、JP2000009969A）。進入21世紀，我國才陸續(xù)出現(xiàn)了一批熔煉鑄造法制備顆粒增強銅基復(fù)合材料的專利申請，南昌大學(xué)添加Y2O3，提高了抗拉強度、導(dǎo)電率、軟化溫度（CN201210358786），昆明理工大學(xué)添加氮化鋁，提高了電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率（CN201410309510）。

對于機械合金化法，該方法是近年來才逐漸興起的一種制備方法，相關(guān)的專利申請主要在2000年以后，申請量也較少。哈爾濱工業(yè)大學(xué)于2008年制備出添加了Al2O3、ThO2、ZrO2、Y2O3、BeO、PbO、Be2C、HfN、ZrN一系列增強體的復(fù)合材料，提高了導(dǎo)電導(dǎo)熱性、高溫強度和硬度（CN200810066186）。日本MITSUI MINING & SMELTING CO LTD公司添加了碳化硅，制備出的材料具備高熱導(dǎo)率同時具有高電絕緣性（JP2011225137A）。西安交通大學(xué)添加了導(dǎo)電陶瓷La2NiO4、BaPbO3或Li1.4Al0.4（Ge1-xTix）1.6（PO4）3，獲得了具有良好高溫導(dǎo)熱性能、導(dǎo)電率和高熔點的材料。

對于原位自生成法，1973年，美國SCM公司采用原位自生成法制備了Al2O3增強銅基復(fù)合材料，獲得了優(yōu)異的抗拉、硬度、延伸率、電導(dǎo)率（US19730373998A）。同年，美國GENERAL MOTORS通用汽車公司添加TiC，提高了材料的耐磨性（US19730356611A）。日本于20世紀八九十年代進行了大量研發(fā)，MITSUI MINING & SMELTING CO LTD公司添氧化鋁，制備出的材料具有良好的硬度和電導(dǎo)率（JP2162483A）。YAZAKI公司添加了氧化鋁，提高了材料的導(dǎo)電性、強度和塑性（JP24512494A）。我國最早的原位自生成法制備顆粒增強銅基復(fù)合材料出現(xiàn)在1999年，昆明理工大學(xué)添加二硼化鈦，使材料具備高強度和高導(dǎo)電性（CN99104496）。西北有色金屬研究院添加Al2O3，提高了材料的熱穩(wěn)定性和熱強性、電導(dǎo)率、軟化溫度（CN201010575412）。

對于內(nèi)氧化法，近年來才逐漸興起，申請量較少。洛陽理工學(xué)院利用內(nèi)氧化法制備了Al2O3增強銅基復(fù)合材料，獲得了高導(dǎo)電、高強度、高抗軟化、高顯微硬度的材料（CN200710189601）。西北工業(yè)大學(xué)制備出了以納米與亞微米氧化鋁為增強相的復(fù)合材料，具有高溫抗拉強度、高屈服強度、高溫軟化溫度、高熱導(dǎo)率（CN200810017-990）。南昌大學(xué)制備出了Y2O3增強銅基復(fù)合材料，具有良好的抗拉強度、電導(dǎo)率和抗高溫軟化性能（CN201210147029）。

對于噴射沉積法，其對設(shè)備需求較高，大部分為國外申請，國內(nèi)只在最近幾年才出現(xiàn)。1983年日本豐田株式會社，首先采用噴射沉積，快速冷卻的方式制備了金屬粒子增強銅基復(fù)合材料（JP12743983A）。1990年，美國ASHOK SANKARANARAYANAN公司制備出了石墨增強銅基復(fù)合材料（US57688990A），OLIN CORP奧林公司和WIELAND WERKE AG公司共同制備出氧化鈦、氮化鈦、碳化硅等陶瓷顆粒增強的銅基復(fù)合材料，提高了材料的強度（US19900576889A）。國內(nèi)關(guān)于噴射沉積的申請最早出現(xiàn)在2007年，由昆明理工大學(xué)和昆明貴金屬研究所共同申請，增強體采用Al2O3、La2O3、Y2O3，具有高的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、熱穩(wěn)定性和熱強性（CN200710066391）。西北有色金屬研究院2010年制備出了Al2O3為增強體的復(fù)合材料，具有良好的熱穩(wěn)定性、熱強性和電導(dǎo)率（CN201010575412）。

對于其他制備方法，是近年來伴隨其他科技發(fā)展而產(chǎn)生的新工藝，這些制備方法相關(guān)的申請主要是國內(nèi)申請。2007年由中南大學(xué)和深圳市新宏泰粉末冶金有限公司以化學(xué)鍍方法共同制備出的銅基復(fù)合材料，添加Al2O3、SiC時具有高的耐磨性，添加MoS2、WS2時具有良好的潤滑性能（CN200710035883）。浙江工業(yè)大學(xué)以電子束物理氣相沉積法制備出Mo、Nb、Al2O3或Y2O3增強銅基復(fù)合材料，具有良好的屈服強度、抗拉強度、電導(dǎo)率和延伸率（CN201510385481）。

4 技術(shù)趨勢預(yù)測

從以上分析來看，關(guān)于顆粒增強銅基復(fù)合材料目前雖然已有大量研究，也取得了很多成果，但是仍然存在諸多問題，其中制備方法方面，如何以更簡單的工藝和參數(shù)，實現(xiàn)顆粒增強銅基復(fù)合材料的穩(wěn)定生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化，拓展顆粒增強銅基復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用場景將是未來研究的一個重要方向[2，3]。

參考文獻：

[1] 李韶林.彌散強化銅基復(fù)合材料的制備及抗電蝕性能研究[D].洛陽：河南科技大學(xué)，2013.

[2] 賀毅強.顆粒增強金屬基復(fù)合材料的研究進展[J].熱加工工藝，2012（2）：133-136.

[3] 王學(xué)亮，王亞平.Cu-Al2O3復(fù)合材料的制備技術(shù)及研究現(xiàn)狀[J].電工材料，2014（1）：27-32.