高性能铜基复合材料.pdfVIP

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(350-2000MPa)，

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

δ[2]

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

b

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

[5][6]

导体基座中。郭芝俊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、A10等陶瓷晶须增强铜基复合材料

23

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