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浅析弥散强化铜的电极产业化前景论文

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浅析弥散强化铜的电极产业化前景论文

弥散强化铜基复合材料，是通过在铜基体中加入氧化物颗粒作为增强相，并均匀弥散的分布在铜基体中，既保持了材料的导电性，又达到了提高铜基复合材料的力学性能及高温抗软化能力的目的。铜- 氧化铝复合材料不仅室温强度高、导电和导热性能优良，而且具有良好的耐磨性及高温稳定性，是一种有着广阔前景的复合材料。目前，应用最广的氧化物弥散相是Al2O3。Al2O3 弥散强化铜基复合材料不仅具有高的导电、导热性能，而且具有优越的高温性能和抗蚀性能，在电阻焊电极行业有着极大的优势和广阔的前景，是现代电子信息、能源产业发展的关键材料，已成为当前材料行业研究的热点。

弥散强化机制主要有位错绕过机制和位错切割机制。强化机理是: 在弥散强化材料中，弥散相阻碍位错线的运动，位错线需要较大的应力才能克服阻碍而向前移动，由此材料强度得以提高。对比其它几种强化方式如固溶强化、形变强化等，当温度升高时，材料随着温度升高而出现再结晶或者沉淀重溶的现象，强化机制赖以生存的微观结构变得不稳定，强化作用逐渐失去，合金的高温热稳定性无法满足使用要求。与之相比弥散强化的优势在高温下则表现得十分的突出，具有理想的高温热稳定性。

氧化物陶瓷具有强度高、熔点高、热力学稳定性良好等优点，作为第二增强相，在接近于铜基体熔点的条件下也不会溶解或粗化，既保持了合金的导电性能，又有效地提高了合金的室温和高温强度，从而使材料具备良好的综合性能。细小、均匀弥散分布于铜基体中的氧化铝颗粒，由于在高温下仍然具有优良的尺寸和化学稳定性，具有很强的钉扎作用，从而阻止基体组织的粗化，所以Al2O3 弥散强化铜复合材料在高温下仍能保持大部分硬度。而且由于Al2O3 颗粒在铜基体中体积分数小，而且呈细小弥散分布状态，保持了铜基体高导电高导热性能，使材料在接近铜熔点的温度下也能工作。

在电阻焊电极材料行业，现大量使用的电极材料铬锆铜( Cu - Cr -Zr 系列) ，由于软化温度较低，大约在500℃左右，电极损耗严重导致焊接成本大幅提高，由于频繁地更换，也严重影响了焊接设备的效率。而弥散强化铜合金制成的点焊电极具有寿命长( 普通铬锆铜的4 ～ 10倍) 、抗软化、不粘附的特性，显示出超强的焊接性能优势。在焊接的过程中弥散强化铜基复合材料可以做到电流的快速传导，焊区热量能迅速消散，在高温、高压、高电流的工作环境下有非常好的使用效果。在汽车行业，焊接镀锌的钢板时，在氧化铝强化铜电极顶部工作面形成的氧化铝保护层，能有效防止电极表面层在焊接低碳钢板过程中与钢板粘接，很大程度上减轻电极损耗，提高电极使用寿命。随着机械制造业尤其是汽车工业的飞速发展，对氧化铝弥散强化铜合金的需求量正在日益增加，将会产生良好的社会效益和经济效益。

当前Al2O3 铜基复合材料产业化面临的主要问题:

1 Al2O3 铜基复合材料工艺问题

传统的弥散铜的制造技术多采用粉末冶金法，最开始以外加Al2O3 颗粒混合均匀，压制成型后进行烧结，制成烧结体。粉末冶金法生产Al2O3 弥散强化铜工艺成熟，生产出的复合材料性能较好，但生产工艺复杂、成本高、生产效率低，同时复合材料界面易受污染。改进后的制造工艺通过内氧化原位生成纳米级Al2O3 颗粒，细小且在基体分布均匀，有较高的热力学稳定性; 但是其高温性能不佳，同时流程复杂，造成材料质量控制困难，成本非常高，极大地限制了其推广应用。球磨法通常是将纳米或者微米级的Al2O3 粉与Cu 粉按比例放于球磨机中球磨，在球磨过程中Al2O3 颗粒嵌入Cu 颗粒中形成弥散强化铜合金粉。该方法的优点在于简单易操作，而且Al2O3 的含量可以在较大范围内调控。其缺点在于氧化铝颗粒在Cu 颗粒中的分布状态不够均匀，界面结合也不够紧密，采用该方法制得的氧化铝弥散强化铜的导电性及强度通常都较差。

综其所述，Al2O3 复合材料产业化当前面临的困难一是工艺复杂，二是成本过高，无法满足市场的要求。今后的研究工作应向工艺简化，工艺参数控制，生产成本降低方向发展，从而实现Al2O3 弥散强化铜基复合材料。

　　2 Al2O3 铜基复合材料致密度问题

Al2O3 弥散强化铜基复合材料的性能好坏，致密度是一个很重要的工艺参数。传统的生产方法制备出的弥散强化铜基复合材料烧结坯普遍致密度不高，特别是断面大时，无法进一步实现大的变形比，一般只能达到97. 5%左右理论密度，制品内部会有一定量的孔隙存在，使得最终产品的.机械、物理性能不佳。因此，在烧结过程中提高致密度是Al2O3 弥散强化铜基复合材料研制过程中的一个技术难点。

通过采用真空感应热压炉或低压等静压烧结炉进行烧结，最大限度的消除合金内部残余孔隙和缺陷，可以使烧结坯基本达到理论密度。从而获得高导电性、高抗软化温度以及高致密性。通过雾化制粉制得铜- 铝合金粉末，将合金粉末在800 ～ 950℃的温度下进行内氧化，经过还原之后得到铜- 氧化铝合金粉末，加入微量稀土金属在混合机中混合均匀，得到混合均匀的粉末，压块并将预压坯置于真空感应热压炉或低压等静压烧结炉中进行烧结并合金化，最终得到致密的弥散强化铜基复合材料。

　　3 Al2O3 铜基复合材料粉末均匀化问题

Al2O3 弥散强化铜基复合材料的强度，取决于Al2O3 的体积分数以及弥散的Al2O3 颗粒间距和大小。目前国内仅能在实验室内制得颗粒为10 - 30nm 的Al2O3 颗粒的弥散强化铜，而国外制作的Al2O3 颗粒平均已达到10nm 的水准。制得均匀的超细粉末是研制Al2O3 弥散强化铜基复合材料所面临的工艺难点之一。

Al2O3 弥散强化铜的性能取决于Al2O3 颗粒的尺寸、分布和间距。粒径较细有利于合金强化，但同时导致导电性降低; 粒径过大对于颗粒与基体界面引起的裂纹萌生和扩展无法有效阻止，导致合金韧性下降。经研究，Al2O3 颗粒直径一般在3 ～ 12nm 范围内，颗粒问距为30 ～100nm，Al2O3 的含量为0. 1 ～ 1. 5wt%时性能为最佳。采用高能球磨可以获得比较均匀的复合粉末: 随球磨时间延长，粉末尺寸逐渐变细，但球磨到一定时间后复合粉末尺寸变化不大，以球磨24 小时为最佳。

本文仅仅是对Al2O3 弥散强化铜材料作了一些初步探讨，其中仍有很多环节需要完善。由于铜- 氧化铝复合材料的制造过程是一种粉末冶金过程，致密度很难达到100%，因此工件表面存在许多微细孔。在热加工加热过程中，易造成表面晶界氧化，造成晶界强度低，在热锻过程中造成开裂。由于热锻难题，目前基本局限在电阻焊材料领域及电子小型零件上，限制了该材料的应用。又如本文中提到的等静压. 烧结方法制备的材料致密度均偏低，可以考虑采用热压烧结法制备坯料，并且可在烧结后结合冷变形及热处理，或进行挤压变形，进一步提高材料的性能。另外可以结合高温变形实验对弥散铜电极的成型进行数值模拟，为弥散铜电极材料的实际生产提供实验依据和理论指导。

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