铜基自润滑复合材料综述

铜基自润滑复合材料综述前言铜及其合金不仅具有优良的导热性、导电性、耐腐蚀性、接合性、可加工性等综合物理、力学性能，而且价格适中，所以铜及其合金作为导电、导热等功能材料在电子、电器工业、电力、仪表和军工中用途十分广泛,是不可缺少的基础材料之。

但是随着科学技术的发展，纯铜和现有牌号铜合金的导电性与其强度及高温性能难以兼顾，不能全面满足航天、航空、微电子等高技术迅速发展对其综合性能的要求。

相对于铜及其合金，铜基复合材料是一类具有优良综合性能的新型结构功能一体化材料．它既继承了紫铜的优良导电性,又具有高的强度和优越的耐磨性，在各种领域都有着广阔的应用前景。

所以研制高强度、高电导率的铜基复合材料是发挥铜的优势、开拓铜的应用领域的一种行之有效的方法。

目前，研制高强度、高导电铜基材料遇到的首要问题是材料的导电性与强度难以兼顾的矛盾，即电导率高则强度低，强度的提高是以损失电导率为代价的。

传统的强化手段(如合金化)由于自身的局限性，在提高铜的强度的同时，很难兼顾铜的导电性。

导电理论指出，固溶在铜基体中的原子引起的铜原子点阵畸变对电子的散射作用较第二相引起的散射作用要强得多。

因此，相对于合金化而言，复合强化不会明显降低铜基体的导电性．而且由于强化相的作用还改善了基体的室温及高温性能．成为获得高强度、高导电铜基复合材料的主要强化手段。

铜基复合材料具有高强度、高耐磨性、高导电性的优势，目前已经成为研究的热点。

铜石墨复合材料不仅含有良好强度、硬度、导电导热性、耐蚀性好等特点的铜，而且还含有良好自润滑性、高熔点、抗熔焊性好和耐电弧烧蚀能力好的石墨，从而使得铜石墨复合材料在摩擦材料、含油轴承、电接触材料、导电材料和机械零件材料领域发挥着重大作用，特别是作为受电弓滑板材料和电刷材料，有着广泛的应用。

提高铜石墨复合材料的综合性能一直以来都是科研人员研究的主要内容。

复合材料定义：复合材料(Composite materials)，是以一种材料为基体(Matrix)，另一种材料为增强体(reinforcement)组合而成的材料。

复合材料分类：复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。

按其结构特点又分为：①纤维复合材料。

将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。

如纤维增强塑料、纤维增强金属等。

②夹层复合材料。

由性质不同的表面材料和芯材组合而成。

通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。

分为实心夹层和蜂窝夹层两种。

③细粒复合材料。

将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。

④混杂复合材料。

由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。

与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。

分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内／层间混杂和超混杂复合材料。

1.铜基复合材料的制备方法：铜基复合材料的制备方法很多，如内氧化法、粉末冶金法、复合铸造法、机械合金化法、浸渍法、燃烧合成法、溅射成型法、原位形变法等，各有其优缺点。

下面对主要的制备方法及其大致发展趋势进行叙述，以期对制备工艺进行优化或为开发新的制备方法提供参考。

1．1 内氧化法内氧化法是美国SCM 公司的专利技术，用这种方法他们研制出Glidcop系列弥散强化铜基复合材料。

内氧化法主要工艺是将铜铝合金雾化成粉末．然后和氧化剂混合，控制一定的氧化气氛．使合金元素氧化形成弥散分布的Cu-AI2O3，粉末．然后经压制、烧结，制备铜基复合材料。

利用内氧化法．可以制备均匀分布的、细小的、具有良好热稳定性的氧化物颗粒如Al203、ZrO2、Y23、ThO2弥散强化的铜基复合材料。

李玉桐等用内氧化法制备了纳米Al2O3增强铜基复合材料，强化相γ-Al2O3颗粒形状为长圆形，平均尺寸约为12nm，颗粒之间距离约为20nm．呈均匀分布，对位错有明显的钉扎作用。

在制备过程中，内氧化法工艺过程中对所需的氧含量难以控制，且生产成本高，所以进行大规模的推广应用有一定的难度。

在内氧化法的基础上，邵会孟等对钢件渗硼及铜合金内氧化进行了长期研究．提出了内硼化的概念。

所谓内硼化是指控制工艺条件，使向金属内扩散的硼原子不与基体金属形成连续的硼化物表层，只与固溶在基体中的合金元素形成弥散分布的硼化物。

铜基复合材料的次表层聚集了大量尺寸较大的硼化物．其间也分布有较细小的硼化物颗粒，在内硼化层平行基体表面向内推进的过程中，其前沿出现由更细小的点状相组成的区域。

对内氧化工艺进行控制，使弥散相分布更均匀，或尝试新的强化相是内氧化法可以考虑的发展方向。

1．2 粉末冶金法粉末冶金法的主要工艺过程为：制取复合粉末一复合粉末成型一复合粉末烧结．主要用于制备颗粒弥散强化类材料．工艺成熟，材料性能也较好，但存在生产工艺复杂、生产效率低等不足。

在烧结过程中．采用热等静压可得到较致密的材料，且材料的密度分布均匀，有利于提高材料的综合性能。

尝试在粉末制备过程中使用不同的强化相也是粉末冶金制备工艺发展的一个方向。

董树荣等用粉末冶金法制备了纳米碳管增强铜基复合材料，纳米碳管体积分数显著影响复合材料的综合性能，纳米碳管体积含量在l2％左右时．复合材料的致密度和硬度达到较好的综合值。

根据粉末冶金的特点，人们发展了粉末注塑成型．并在粉末冶金工业中得到了很大发展，并证明是批量生产小尺寸复杂形状产品经济有效的方法。

Yang等研究含铜l0％、l5％、20％(质量分数)的钨铜材料的注塑成型．粉末装填量体积分数为52％，注塑成型的坯料经熔渗烧结后获得致密、细晶的钨铜复合材料(WCu )，密度可达99％，横向断裂强度达l 500 MPa。

Kim等研究WCu30粉末“T”型模的注塑成型，研究了注塑粘结剂、注塑成型的参数及成型后脱粘结剂的过程．得到表面质量良好、形状规整、粉末装填量为45％～50％(体积分数)的型坯，坯块经直接烧结可得到密度高于96％的钨铜复合材料和部件。

总之，粉末冶金法可以制备宽范围体积分数的复合材料，而且便于控制成分，但粉末冶金制品的致密度、工艺简化和成本问题是需要解决的问题。

1．3复合铸造法复合铸造法是将增强相与铜基体一起熔化或边搅拌基体熔体边加入增强相，然后再剧烈搅拌熔体至半固态，注入铸型，制备铜基复合材料的方法。

这种方法可以在一定程度上解决增强相的偏析问题．而且生产工艺简单，适应复合材料大规模工业化生产。

有一定的发展优势．但制备出的材料性能较低。

张鹏等采用半固态加工方法对石墨增强铜基复合材料进行了研究。

结果表明，随着半固态浆料固相率的增大．石墨颗粒的上浮偏聚程度逐渐减小．当采用固相率大于40％的半固态浆料进行铸造时，石墨颗粒的上浮偏聚现象得以消除，可获得石墨颗粒均匀分布的石墨增强铜基复合材料。

张树玉等将Al粉、Ti粉、B2O3粉以及Cu粉按一定比例混合．在高能球磨机上球磨10h后，压制成10nmx20nm的圆柱状块，干态下除气l h，然后投入熔化的基体合金，保温、搅拌一段时间，最后浇注成型。

TiB2／Cu-Zr复合材料制备的优化工艺为950℃×l h固溶+40％轧制变形+500℃×l h时效，在此工艺下，材料的显微硬度为l38 Hv，抗拉强度为381 MPa，电导率为81．66％IACS。

TiB2／Cu-Zr复合材料的断裂为韧性断裂机制，其导电性与基体和增强相的导电性、粒子的体积分数、粒子的粒度及分布状况有密切关系。

用复合铸造法制备复合材料时．在搅拌过程中，由于剧烈地搅拌，会卷入大量的气体，在铸造过程中无法排除，在铸件中形成气孔，大大降低了材料的性能。

为了尽量排除材料铸造过程中的气孔，采用真空铸造可以消除搅拌过程中的吸气，但增加了设备费用，增长了工艺流程。

所以铸造过程中熔体的除气是复合铸造方法的一大难点。

1．4 机械合金化机械合金化是利用高能球磨机，按一定比例混合金属粉末和强化物质，反复研磨．使二者反复变形，粉碎和粘合而合金化和均匀化。

该种方法可将熔点相差悬殊的两种金属、金属间化合物合金化或复合化，而且在球磨过程中可以原位反应形成增强相。

通过高能球磨将金属钨粉和铜粉混合进行长时间研磨，可制得高度均匀分布的超细钨铜复合粉末．其具有极均匀纳米尺寸的钨相和铜相结晶组织。

含铜30％(质量分数)的钨铜混合粉球磨50 h后，可得到20～30 nm 的钨相．将此纳米粉成型并在较低温度下烧结．可得到相对密度98％、钨晶粒600 nm、组织均匀的钨铜复合材料。

Sauer 等以Cu或时效硬化的CuTi 为基体．用机械合金化方法制备了TiC弥散强化的Cu基复合材料。

TiC粒子直径为10～50 nm，分布在晶界上．阻碍晶界的滑移。

复合材料的晶粒尺寸为100～500 nn1．材料有比较高的蠕变强度。

Takahashi等用Cu—Ti—C 和Cu—Zr-C体系．用机械合金化方法制备了TiC和ZrC弥散强化Cu基复合材料。

在800℃进行烧结后，Cu基复合材料的强度分别达到510～560 MPa和657～725 MPa．显示了良好的力学性能。

Shen B．L．等用机械合金化方法制备了纳米晶的Cu—TiC 复合材料．并用高温维氏硬度仪测试了材料的硬度，结果表明，纳米结构的Cu—TiC 复合材料的蠕变变形发生在金属基体相中．弥散分布在晶界上的TiC粒子和位错阻碍了晶界的扩散，提高了材料的蠕变变形能力。

董仕节等利用机械合金化的Cu(Ti，B)过饱和固溶体在真空加压烧结炉中进行加压烧结，制备了TiB 增强铜基复合材料。

研究表明TiB增强铜基复合材料的最佳烧结温度为890℃，材料的硬度随TiB 含量的增加有所提高，而电导率则随之下降，材料的软化温度基本保持在900℃左右。

目前．机械合金化制备铜基复合材料最大缺点是长时间球磨带来了杂质铁含量的增加，而这将降低烧结后的铜基复合材料的导电导热性能。

此外机械合金化工艺复杂，工艺时间长，经济效益不高也是影响机械合金化方法广泛应用的障碍。

1．5 压力浸渍法压力浸渍法是在一定压力下，将增强体预制件浸在铜或铜合金的熔体中，使熔体在预制件中浸透，形成复合材料的方法。

压力浸渍法可制备各种尺寸大小的部件．而且强化相的体积分数可调，强化相的种类多，工艺简单，可近终形成型。

Nishino 等阎用Cu—Ti金属液浸渍SiC预制件，制备了Cu—Ti－SiC复合材料．结果表明．随Ti含量的增加，材料界面结合强度增强。

在晶界发生了一系列的化学反应，生成了TiC、Ti3SiC 、TiSi等相，在晶界中形成过渡层．影响材料的界面结合强度。

Nogi 等阳在1393 K下．用Cu—Ti金属液浸渍SiC预制件制备了复合材料．研究了基体和增强体SiC的润湿性。

在液态Cu—Ti合金和SiC界面上形成了TiC相．但他们认为TiC相的形成没有改善Cu—Ti和SiC的润湿性．而是Si和C向Cu中固溶．改善了材料的润湿性。