高性能铜基复合材料

高性能铜基复合材料的研究

1．高性能铜基复合材料简介

铜及铜合金机械性能良好，且工艺性能优良，易于铸造、塑性加工等，更重要

的是铜及铜合金有良好的耐蚀、导热、导电性能，所以它们能广泛应用于电子电气、

机械制造等工业领域。但是，铜在室温强度、高温性能以及磨损性能等诸多方面的

不足限制了其更加广泛的应用。而随着现代航空航天、电子技术的快速发展，对铜

的使用提出了更多更高的要求，即在保证铜的良好的导电、导热等物理性能的基础上，要求铜具有高强度，尤其是良好的高温力学性能，并且要求材料有低的热膨胀

系数和良好的摩擦磨损性能。我国第一条高速铁路京沪线总投资约200亿美元，2008年已经开工建设，接触线年需求量近万吨，显然接触线的研发，即高强高导高耐磨

铜合金功能材料的研发有着很大的国内外市场[1]。电阻焊电极，缝焊的滚轮，集成

电路引线框架也需要高强度高导电性的铜合金，现有牌号的铜及铜合金在高强高导

方面难以兼顾。所以通过引入适当的增强相的复合强化方式，发挥基体和功能强化

相的协同作用，研发高性能铜(合金)基功能复合材料成为当今世界的热门课题。

所谓高强高导铜合金，一般是指抗拉强度(Gb)为纯铜的2-10倍(350-2000MP a)，导电率一般为铜的50％~95％，即50-95％IACS铜合金。国际上公认的理想指标为

δb=600-800MPa，导电性至≥80％IACSE[2]。高强高导铜合金的主要应用领域是电子

信息产业超大规模集成电路引线框架[3]，国防军工用电子对抗，雷达，大功率军用

微波管，高脉冲磁场导体，核装备和运载火箭[4]，高速轨道交通用架空导线，

300-1250Kw大功率调频调速异步牵引电动机导条与端环，汽车工业用电阻焊电极头，冶金工业用连铸机结晶器，电真空器件和电器工程用开关触桥等，因此这类材料在

众多高新技术领域有着广阔的应用前景。

2.高性能铜基复合材料的研究进展

近二十多年来，随着电子技术、计算机和信息技术的迅猛发展，要求铜基材料

不仅具有良好的导电性、导热性、弹性极限和韧性，而且还应具有较好的耐磨性，

较高的抗剪切强度，低的热膨胀系数和良好的加工性能、焊接性能等一系列优良性能。铜基复合材料是发展新型高强高导和高耐磨性合金的重要方向之一[5]。但铜基

复合材料强度的提高往往伴随着导电和导热性的下降，如何解决这一矛盾，成为铜

基复合材料研究中的关键。目前，抗拉强度在600MPa以上，导电率大于80％IACS的

铜基复合材料已成为研究开发的热点之一。

引入纤维、晶须、陶瓷颗粒等高强度的强化相增强铜基体显示出良好的发展前景，其方法是在铜基体内植入稳定的高强度第二相，通过冷变形等加工处理，使第

二相以颗粒或纤维状弥散分布于基体中，达到机械与电导性能的最佳匹配。

纤维增强铜基复合材料的单向增强性能很高，如用碳管、碳纤维、钨纤维增强

的铜基复合材料具有低热膨胀系数，高导电率、高导热等性能，可广泛应用于硅半

导体基座中[5]。郭芝俊[6]等对碳纤维铜基复合材料的摩擦学性能进行了研究，认为

当滑动方向与碳纤维垂直时，复合材料表面有利于碳膜的形成，材料摩擦系数小，

磨损率小；但纤维脆性大，制造过程中纤维容易受到机械损伤和热损伤，而且纤维

之间相互接触，微观组织不均匀，不同方向的性能具有明显的差异，纤维成本较高。

王浪云[7]等制备的多壁纳米碳管增强铜基复合材料除了具有碳纤维铜基复合材料的

优点外，还由于纳米碳管具有很高的弹性模量、抗弯曲和抗断裂强度及良好的韧性，

从而克服了碳纤维的不足。晶须的晶体结构比较完整，内部缺陷较少，其物理性能

也接近理想晶体的理论值，因此采用SiC、TiN、A1203等陶瓷晶须增强铜基复合材料

具有高强度和热稳定性好等许多优点，但晶须制备成本较高，因此对它的研究和应

用都受到了很大的限制。同时，导电理论也指出，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的多。因此，采用颗

粒增强技术---即在铜基体中形成弥散分布的硬质点来提高材料的强度、耐磨性，改

善基体的室温和高温性能，又不明显降低铜基体的导电性，达到导电和强度、耐磨

性能综合提高的效果。

正是由于颗粒增强铜基复合材料在制造工艺上与传统金属的制造工艺差别小，

适应性强，成本低，性能上也具有竞争性，使颗粒增强铜基复合材料成为最有发展

前途、最有可能实现产业化的新材料之一。

二十世纪八十年代Rey和Komerneni[8]等材料科学家提出了纳米复合材料的概念，即由两种或两种以上的不同材料组成，其中至少有一相在一个纬度上呈纳米级大小。纳米复合材料包括范围较广，众多研究者采用各种不同的工艺方法成功制备出多种

体系的纳米复合材料，纳米颗粒增强铜基复合材料是其中之一。

到目前为止，国内外研制和开发了多种新型的铜基复合材料。近二十年以来，

世界各国竞相开展对颗粒增强金属基复合材料的研究开发，我国对于这类材料的研

究相对较晚，到80年代末90年代初，天津大学、中国科学院金属所等单位才有相关

的研究和报道，在制备工艺及理论研究等方面仍有很多问题尚待解决，尤其是一些

制各工艺还停留在实验室阶段，不能投入到实际规模生产。因此，如何完善生产工艺，稳定技术参数，降低生产成本，开发出易于产业化的制造技术是该研究领域的

努力方向。

3高性能铜基复合材料的分类

3.1颗粒增强铜基复合材料

增强体主要为碳化硅和氧化铝，亦有少量氧化钛和硼化钛等颗粒(粒径一般为10μm左右)。晶须不仅本身力学性能优越，而且有一定的长径比，因此比颗粒对金属基体的增强效果更显著，晶须常用碳化硅和硼酸铝晶须等。合金化工艺可以制备氧化物弥散强化(Oxide Dispersion Strengthening，ODS)和碳化物弥散强化(Carbonide Dispersion Strengthening，CDS)的铜基复合材料。

3.2纤维增强铜基复合材料

铜或铜合金与非金属或金属纤维制造的复合材料既保持了铜的高导电性、高导热性，又具有高强度与耐高温的性能。在制造此类铜基复合材料时，既有用长纤维的，也有用短纤维的。碳纤维-铜复合材料由于既具有铜的良好导热、导电性，又有碳纤维的自润滑、抗磨、低的热膨胀系数等特点，从而用于滑动电触头材料、电刷、电力半导体支撑电极，集成电路散热板等方面。铜-碳纤维复合材料在工业生产中的另一个应用实例是电车导电弓架上的滑块[9]，滑块是电车及电气机车上的易损件，最早采用金属滑块，目前采用碳滑块，但都有不足之处。采用碳纤维-铜复合材料后，使接触电阻减小，避免过热，同时提高强度及过载电流，并有优良的润滑及耐磨性。

3.3高性能显微复合铜合金

高性能显微复合铜合金材料是在本世纪70年代研究超导材料时发现的。1978年美国Harvard大学Bark等人[10]最早提出高性能Cu-X合金的概念，Cu-X是二元合金，X 包括难熔金属W、Mo、Nb、Ta和Cr、Fe、V等元素，Cu—X材料经锻造、拉拔或轧制后，X金属沿变形方向以丝状或带状分布，形成显微复合材料，此显微复合铜合金材料的特点是超高强度(最高抗拉强度可达2000MPa以上)，电导率可达82％IACS，良好的耐热性及显微复合组织和晶粒择优取向。此材料除了可以作点焊电极外，还可作推进器和热交换器，与传统铜合金材料相比，它含有的合金元素总量多，但合金元素的种类少。Cu—X合金以其超高强度，高电导率以及良好的耐热性引起了人们的重视。目前，美国Iow a大学，Harvard大学材料系，AMES实验室以及Michigan 理工大学，还有国内的浙江大学在这方面作了大量的研究工作，但仍有许多理论问题和实际应用问题有待解决

4. 高强高导铜基复合材料的制备方法

铜基复合材料或铜合金的制备方法按照第二相添加方式可分为外加强制法和内部自生法，现介绍几种高强高导铜基复合材料或铜合金的制备方法。

4.1粉末冶金法(Powder Metallurgical)