淺析彌散強化銅的電極產(chǎn)業(yè)化前景論文

　　彌散強化銅基復合材料，是通過在銅基體中加入氧化物顆粒作為增強相，并均勻彌散的分布在銅基體中，既保持了材料的導電性，又達到了提高銅基復合材料的力學性能及高溫抗軟化能力的目的。銅- 氧化鋁復合材料不僅室溫強度高、導電和導熱性能優(yōu)良，而且具有良好的耐磨性及高溫穩(wěn)定性，是一種有著廣闊前景的復合材料。目前，應用最廣的氧化物彌散相是Al2O3。Al2O3 彌散強化銅基復合材料不僅具有高的導電、導熱性能，而且具有優(yōu)越的高溫性能和抗蝕性能，在電阻焊電極行業(yè)有著極大的優(yōu)勢和廣闊的前景，是現(xiàn)代電子信息、能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵材料，已成為當前材料行業(yè)研究的熱點。

　　彌散強化機制主要有位錯繞過機制和位錯切割機制。強化機理是: 在彌散強化材料中，彌散相阻礙位錯線的運動，位錯線需要較大的應力才能克服阻礙而向前移動，由此材料強度得以提高。對比其它幾種強化方式如固溶強化、形變強化等，當溫度升高時，材料隨著溫度升高而出現(xiàn)再結(jié)晶或者沉淀重溶的現(xiàn)象，強化機制賴以生存的微觀結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定，強化作用逐漸失去，合金的高溫熱穩(wěn)定性無法滿足使用要求。與之相比彌散強化的優(yōu)勢在高溫下則表現(xiàn)得十分的突出，具有理想的高溫熱穩(wěn)定性。

　　氧化物陶瓷具有強度高、熔點高、熱力學穩(wěn)定性良好等優(yōu)點，作為第二增強相，在接近于銅基體熔點的條件下也不會溶解或粗化，既保持了合金的導電性能，又有效地提高了合金的室溫和高溫強度，從而使材料具備良好的綜合性能。細小、均勻彌散分布于銅基體中的氧化鋁顆粒，由于在高溫下仍然具有優(yōu)良的尺寸和化學穩(wěn)定性，具有很強的釘扎作用，從而阻止基體組織的粗化，所以Al2O3 彌散強化銅復合材料在高溫下仍能保持大部分硬度。而且由于Al2O3 顆粒在銅基體中體積分數(shù)小，而且呈細小彌散分布狀態(tài)，保持了銅基體高導電高導熱性能，使材料在接近銅熔點的溫度下也能工作。

　　在電阻焊電極材料行業(yè)，現(xiàn)大量使用的電極材料鉻鋯銅( Cu - Cr -Zr 系列) ，由于軟化溫度較低，大約在500℃左右，電極損耗嚴重導致焊接成本大幅提高，由于頻繁地更換，也嚴重影響了焊接設(shè)備的效率。而彌散強化銅合金制成的點焊電極具有壽命長( 普通鉻鋯銅的4 ～ 10倍) 、抗軟化、不粘附的特性，顯示出超強的焊接性能優(yōu)勢。在焊接的過程中彌散強化銅基復合材料可以做到電流的快速傳導，焊區(qū)熱量能迅速消散，在高溫、高壓、高電流的工作環(huán)境下有非常好的使用效果。在汽車行業(yè)，焊接鍍鋅的鋼板時，在氧化鋁強化銅電極頂部工作面形成的氧化鋁保護層，能有效防止電極表面層在焊接低碳鋼板過程中與鋼板粘接，很大程度上減輕電極損耗，提高電極使用壽命。隨著機械制造業(yè)尤其是汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，對氧化鋁彌散強化銅合金的需求量正在日益增加，將會產(chǎn)生良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

　　當前Al2O3 銅基復合材料產(chǎn)業(yè)化面臨的主要問題:

　　1 Al2O3 銅基復合材料工藝問題

　　傳統(tǒng)的彌散銅的制造技術(shù)多采用粉末冶金法，最開始以外加Al2O3 顆�；旌暇鶆颍瑝褐瞥尚秃筮M行燒結(jié)，制成燒結(jié)體。粉末冶金法生產(chǎn)Al2O3 彌散強化銅工藝成熟，生產(chǎn)出的復合材料性能較好，但生產(chǎn)工藝復雜、成本高、生產(chǎn)效率低，同時復合材料界面易受污染。改進后的制造工藝通過內(nèi)氧化原位生成納米級Al2O3 顆粒，細小且在基體分布均勻，有較高的熱力學穩(wěn)定性; 但是其高溫性能不佳，同時流程復雜，造成材料質(zhì)量控制困難，成本非常高，極大地限制了其推廣應用。球磨法通常是將納米或者微米級的Al2O3 粉與Cu 粉按比例放于球磨機中球磨，在球磨過程中Al2O3 顆粒嵌入Cu 顆粒中形成彌散強化銅合金粉。該方法的優(yōu)點在于簡單易操作，而且Al2O3 的含量可以在較大范圍內(nèi)調(diào)控。其缺點在于氧化鋁顆粒在Cu 顆粒中的分布狀態(tài)不夠均勻，界面結(jié)合也不夠緊密，采用該方法制得的氧化鋁彌散強化銅的導電性及強度通常都較差。

　　綜其所述，Al2O3 復合材料產(chǎn)業(yè)化當前面臨的困難一是工藝復雜，二是成本過高，無法滿足市場的要求。今后的研究工作應向工藝簡化，工藝參數(shù)控制，生產(chǎn)成本降低方向發(fā)展，從而實現(xiàn)Al2O3 彌散強化銅基復合材料。

　　2 Al2O3 銅基復合材料致密度問題

　　Al2O3 彌散強化銅基復合材料的性能好壞，致密度是一個很重要的工藝參數(shù)。傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法制備出的彌散強化銅基復合材料燒結(jié)坯普遍致密度不高，特別是斷面大時，無法進一步實現(xiàn)大的變形比，一般只能達到97. 5%左右理論密度，制品內(nèi)部會有一定量的孔隙存在，使得最終產(chǎn)品的.機械、物理性能不佳。因此，在燒結(jié)過程中提高致密度是Al2O3 彌散強化銅基復合材料研制過程中的一個技術(shù)難點。

　　通過采用真空感應熱壓爐或低壓等靜壓燒結(jié)爐進行燒結(jié)，最大限度的消除合金內(nèi)部殘余孔隙和缺陷，可以使燒結(jié)坯基本達到理論密度。從而獲得高導電性、高抗軟化溫度以及高致密性。通過霧化制粉制得銅- 鋁合金粉末，將合金粉末在800 ～ 950℃的溫度下進行內(nèi)氧化，經(jīng)過還原之后得到銅- 氧化鋁合金粉末，加入微量稀土金屬在混合機中混合均勻，得到混合均勻的粉末，壓塊并將預壓坯置于真空感應熱壓爐或低壓等靜壓燒結(jié)爐中進行燒結(jié)并合金化，最終得到致密的彌散強化銅基復合材料。

　　3 Al2O3 銅基復合材料粉末均勻化問題

　　Al2O3 彌散強化銅基復合材料的強度，取決于Al2O3 的體積分數(shù)以及彌散的Al2O3 顆粒間距和大小。目前國內(nèi)僅能在實驗室內(nèi)制得顆粒為10 - 30nm 的Al2O3 顆粒的彌散強化銅，而國外制作的Al2O3 顆粒平均已達到10nm 的水準。制得均勻的超細粉末是研制Al2O3 彌散強化銅基復合材料所面臨的工藝難點之一。

　　Al2O3 彌散強化銅的性能取決于Al2O3 顆粒的尺寸、分布和間距。粒徑較細有利于合金強化，但同時導致導電性降低; 粒徑過大對于顆粒與基體界面引起的裂紋萌生和擴展無法有效阻止，導致合金韌性下降。經(jīng)研究，Al2O3 顆粒直徑一般在3 ～ 12nm 范圍內(nèi)，顆粒問距為30 ～100nm，Al2O3 的含量為0. 1 ～ 1. 5wt%時性能為最佳。采用高能球磨可以獲得比較均勻的復合粉末: 隨球磨時間延長，粉末尺寸逐漸變細，但球磨到一定時間后復合粉末尺寸變化不大，以球磨24 小時為最佳。

　　本文僅僅是對Al2O3 彌散強化銅材料作了一些初步探討，其中仍有很多環(huán)節(jié)需要完善。由于銅- 氧化鋁復合材料的制造過程是一種粉末冶金過程，致密度很難達到100%，因此工件表面存在許多微細孔。在熱加工加熱過程中，易造成表面晶界氧化，造成晶界強度低，在熱鍛過程中造成開裂。由于熱鍛難題，目前基本局限在電阻焊材料領(lǐng)域及電子小型零件上，限制了該材料的應用。又如本文中提到的等靜壓. 燒結(jié)方法制備的材料致密度均偏低，可以考慮采用熱壓燒結(jié)法制備坯料，并且可在燒結(jié)后結(jié)合冷變形及熱處理，或進行擠壓變形，進一步提高材料的性能。另外可以結(jié)合高溫變形實驗對彌散銅電極的成型進行數(shù)值模擬，為彌散銅電極材料的實際生產(chǎn)提供實驗依據(jù)和理論指導。

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