高导电高耐热铜合金的研究现状与展望.docxVIP

随着科学技术的发展，复杂的服役环境对材料的性能提出了愈发严格的要求。许多工业领域对铜基材料的性能需求逐渐从高强高导发展为高导耐热，即在保证其优异导电能力的同时具有更高的抗高温软化性能，这对铜材料的高温组织稳定性和高温力学性能提出了全新的挑战。

如热核实验反应堆偏滤器垂直靶散热片，作为反应堆中面向等离子体的部件，要求其具有高热导率和良好的高温力学性能，因此需选用合适的热沉材料，国际热核聚变实验堆（ITER）级CuCrZr合金需在室温下具有≥75%IACS的电导率和大于400MPa的强度，在400℃下保持有260MPa以上的强度；此外，高速轨道交通、电子通信、引线框架及火箭发动机燃烧室内壁等工业领域要求铜基材料能在300℃以上稳定工作，图1为目前高导耐热铜基材料的类别及应用领域。

图1高导耐热铜基材料的类别及应用领域

高导耐热铜基材料的性能要求包括导电性能的“高导”和力学性能的“耐热”，因此需要有机结合以上两方面的研发思路。在优化导电性能方面，除了通过回复再结晶的过程消除空位和位错以降低缺陷的电子散射程度，提高电子平均自由程和弛豫时间外，对于铜合金体系，重点考虑通过深冷处理或热处理等手段使固溶元素以第二相颗粒的形式从铜基体中析出，减小因晶格畸变带来的电子散射，提高电导率。对于铜基复合材料，基体与增强体之间界面处的电子散射是影响电导率的主要原因，因此通过选用高导电性增强相与铜复合并进行有效的界面设计，可以有效提高材料导电性。在优化高温强度方面，首先要明确高温与室温的最大区别在于温度的升高带来能量的提高，是热激活的过程，由此导致了扩散行为和晶界行为占主导。因此，一方面考虑在晶内引入高温稳定的第二相粒子，从而限制原子及空位扩散导致的位错湮灭和攀移；另一方面提高晶界强度并以第二相钉扎晶界，限制高温下的晶界迁移和晶粒旋转，以此提高高温强度。

目前对于高导耐热铜的研究仍存在很多不足，比如对合金及复合材料导电性能的机理研究较为粗浅，大多是简单的定性分析，尚不能有效量化。对于高温力学性能而言，材料耐热性涉及到元素扩散、空位扩散、晶界及界面强度、晶界迁移及晶粒旋转等较为复杂，目前尚未有研究对其进行系统全面总结。

高导耐热铜合金

按照强化类型分，常见的高导耐热铜合金主要包括：

①固溶强化型铜合金，如Cu-Ag合金，通过溶质原子造成的晶格畸变及形成的气团钉扎位错，强化合金；

②析出强化型铜合金，如Cu-Ni-Si和Cu-Cr-Zr，通过固溶淬火-时效工艺使固溶原子析出得到二次相，一方面发挥奥罗万机制钉扎位错强化合金，另一方面脱溶析出也降低了溶质原子对自由电子的散射作用，从而提高了合金的导电性能；

③弥散强化型铜合金，如Cu-Al2O3合金，通过内氧化法在铜基体内部原位生成纳米级Al2O3颗粒，实现奥罗万强化；

④多元多级强化型铜合金，如Cu-Cr-Nb合金，兼具凝固析出的微米级第二相和时效过程中析出的纳米级第二相粒子，共同实现对铜基体的强化。

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Cu-Ag系

作为固溶强化型合金的典型代表，Cu-Ag合金因其高力学性能和导电性能（强度与电导率匹配良好）、耐高温、加工性好及优异的疲劳性能等被作为高强高导耐热材料使用，在结晶器、磁场技术、集成电路引线框架、高速列车接触线等领域广泛应用。

在Cu中添加适量的合金元素Ag，可以起到固溶强化的效果，溶质原子一方面由于和基体原子的半径差异导致晶格畸变，与位错产生弹性交互作用；另一方面偏聚于位错线形成溶质气团，钉扎位错，阻碍位错运动。

此外，时效强化和纤维强化也是Cu-Ag合金中重要的强化机制。合金元素Ag在Cu中的溶解度随温度降低而显著下降，经过固溶-时效热处理工艺后，析出的第二相对位错和晶界的移动起阻碍作用，实现了强化效果，同时减小因固溶原子的电子散射而带来的残余电阻，提高电导率。

值得一提的是，Ag质量分数超过6%的Cu-Ag合金组织中会出现一定比例的富Ag强化相，经过冷变形后可以转变成纤维状形态，从而有利于发挥载荷承担的作用。

通过对Cu-Ag合金中Ag的比例、富银强化相形态和析出位置的调控可以有效改善材料的导电性和力学性能。采用液氮温度下动态塑性变形（LNT-DPD）结合时效处理的方法在Cu-5%Ag合金中获得了由纳米孪晶和纳米晶粒组成的混合纳米结构，Ag在纳米孪晶界和孪晶/基体片层内连续析出，如图2a~c所示。该合金强度达到870MPa，电导率保持在78%IACS。

图2不同热处理条件下合金的SEM图：(a~c)时效处理后DPDCu-5%Ag样品的TEM明场像，STEM-HAADF图像及纳米孪晶区域的Ag元素分布；(d~g)Cu-12Ag纵断面SEM图及在不同退火条件（200℃/185h,300℃/209h,400℃/190h)下的SEM图

目前，大塑性变