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铜基复合材料的电学性能分析

王晶;常燕

【摘要】为改进铜基复合材料的电学性能,分别研究了TiC含量和SnO2含量对铜

基复合材料电学性能的影响,同时测试了不同退火温度下复合材料的电导率.结果表

明,复合材料的电导率随着TiC和SnO2含量的增加而呈现减小趋势,且SnO2含量

对电导率的影响更大.烧结后复合材料的电导率在15～35MS/m,经过退火处理后,

材料的电导率比未退火处理前有一定程度的提高,同时退火温度对于晶粒长大及品

格畸变也会造成影响,进而影响复合材料的电导率.

【期刊名称】《矿冶》

【年(卷),期】2019(028)002

【总页数】4页(P61-64)

【关键词】铜基;复合材料;电学性能

【作者】王晶;常燕

【作者单位】商洛学院城乡规划与建筑工程学院,陕西商洛726000;商洛学院城乡

规划与建筑工程学院,陕西商洛726000

【正文语种】中文

【中图分类】TB333

铜基复合材料不仅具备了良好的电学和热学等特性，而且还表现出较高的机械强度

和耐磨损等优良性能[1-2]。从铜基复合材料的应用方面考虑，材料电学性能和力

学性能的好坏直接影响了其使用寿命的长短[3-4]。对电学特性而言，一般主要对

电导率进行考察，电导率同时也是决定抗熔焊性能的一个重要指标，电导率越大，

抗熔焊能力越强。为了使第二相的加入对复合材料的导电性的影响不至太大，第二

相应选择导电性能良好的材料。同时，第二相的加入应该可以有效改善复合材料的

力学性能。

TiC因具有硬度高、化学稳定性好、优异的耐磨性和良好的导电性能，作为一种极

具潜力的碳化物增强体受到广泛关注[5-7]。早在20世纪90年代，我国科学家高

桥辉男等[8]开始采用机械合金法，以电解铜粉、高纯钛粉和石墨粉为原料制备得

到了Cu-Ti-C混合合金粉，并通过热压成型的方法制得TiC弥散强化铜基复合材

料。为了可以同时满足铜基复合材料作为电触头材料应用时的灭弧性，本文在前人

研究基础之上在铜基体中加入的第二个重要增强相为氧化物SnO2。引入的SnO2

颗粒细小，在复合材料中弥散分布而起到强化作用。探究不同TiC含量和SnO2

含量对电导率的影响，同时研究了退火温度对于复合材料电导率的影响。

1理论电导率的计算

材料的电导率是衡量复合材料电学性能好坏的重要指标。经典电子理论中使用电导

率对金属导电性的强弱进行表征。金属的电导率σ与电子之间的关系为[9]：

(1)

式中，n为单位体积的有效电子数；e为电子的电荷量；m为电子的质量；p为电

子的散射几率。

从式(1)可以看出，电导率的大小与散射几率关系密切。电子散射的产生是由晶体

结构中的缺陷和晶格变化导致的晶格震荡引起的。而影响散射几率的因素较多，包

括组织结构和应力状态等。对复合材料而言，电导率受基体金属和第二相的性质等

因素共同影响。在不考虑界面影响时看作一种多相合金，其电导率可以通过复合法

计算得到，计算公式如式(2)所示[10]。组成相的电导率共同影响多相合金的导电

性。对复合材料来说，影响因素主要有增强相的体积分数、增强相在复合材料中的

弥散程度和致密度等。

(2)

其中，σ是多相合金的电导率，MS/m；σi是第i相组元的电导率；Ci是第i相组

元的体积分数。

材料电导率的理论值可以通过公式计算得到，但由于电导率会受到如晶粒尺寸、内

应力、弥散相的程度等多个因素的影响，因此很难通过计算得到材料电导率的精确

值，而只能对其做定性的分析和粗略的计算。计算公式为式(3)[10]：

(3)

式中，是基体相的电导率；σ1是增强相的电导率；Vs是增强相的体积分数。

式(3)可以对复合材料的理论电导率值进行粗略的计算。纯铜的电导率值取57

MS/m，二氧化锡的电导率值取2.33×10-9MS/m，碳化钛的电导率值取

4.27×10-9MS/m。

2结果与讨论

2.1TiC含量和SnO2含量对电导率的影响

图1是增强相含量不同时，电导率随其含量的变化曲线。从图1可以看出，材料

的电导率会随着材料中添加的复合粒子相含量的增加而线性降低。由于SnO2的

电导率比TiC的电导率要弱，故SnO2含量的增加对材料电导率下降趋势的影响

比TiC含量增加的更大。产生这种现象的原因主要有：增强相阻碍基体晶粒长大，

即复合材料中晶界的数量增加，它们同样对电子的定向移动产生阻碍；基体与增强

相热膨胀系