高强高导TiB2-Cu基复合材料的研究现状及展望

何代华, 刘 平, 刘新宽, 马凤仓, 李 伟, 陈小红, 郭奎选, 刘 婷

(上海理工大学 材料科学与工程学院,上海 200093)

0 前 言

高强度导电材料在航空、航天、电工及电子等行业有着极为广泛的用途,如电车及电力火车架空导线、大容量触头开关、电阻焊电极、电触头、集成电路引线框架等,都需要既具有高导电导热性又具有高强度的耐热稳定性材料[1].铜基复合材料具有高耐热稳定性和高强高导的特点,克服了传统铜合金的某些不足,大大提高了使用温度范围,能较好地满足以上需求,因此,铜基复合材料近年来得到了较大的发展.

利用弥散耐热稳定性好的陶瓷粒子强化铜基体是一种很好的方法.其中TiB2陶瓷颗粒具有高熔点、高硬度、高弹性模量,耐磨性好,热膨胀系数较低和高导电导热等特性,同其他陶瓷增强材料相比,它使金属的导电率、热导率下降量较小,使得TiB2-Cu基复合材料具有较高的导电率和高的软化温度,因而TiB2作为铜基增强相的研究，已成为复合材料研究领域的一大热点[2-3].TiB2-Cu基复合材料既具有优良的导电性,又具有高的强度和优越的高温性能,被认为是极有发展潜力和应用前景的新型功能材料,已逐渐受到各国的高度重视[4-5].

TiB2增强铜基复合材料的力学性能，主要取决于铜基体、增强体的性能以及增强体与铜基体之间界面的特性.用于制备TiB2-Cu基复合材料的传统方法，主要是非原位复合方式,即直接添加陶瓷强化粒子到熔融或粉末基体中,强化相与陶瓷-金属基复合材料的合成不是同步完成.但外加的增强颗粒往往比较粗大,增强体与基体润湿性差,颗粒/基体界面反应始终是影响传统搅拌铸造和粉末冶金的技术难题[6].本文主要介绍了目前较有发展前途的、能使第二相弥散分布于基体中、甚至具有纳米级颗粒增强铜基复合材料的原位复合制备方法.

1 纳米级颗粒增强铜基复合材料的制备方法

1.1 机械合金化法

机械合金化法(MA)是Benjamin[7]等于20世纪60年代为解决TiB2-Cu基复合材料中的浸润性问题而最先提出的,其原理是利用固态粉末直接形成合金的一种方法,后来为广大学者接受并广泛使用.

Biselli[7]等在1994年利用机械合金化法球磨Cu、Ti和B粉,经适当的热处理制取出TiB2-Cu复合材料.X射线衍射和EDS分析表明,球磨粉只有加热到600 ℃附近才反应生成TiB2,到800 ℃附近反应完成.TEM观察发现,Cu-5%(体积百分比)TiB2合金700 ℃挤压后在晶粒内部和晶界上分布有5～15 nm的TiB2粒子.球磨粉在退火初期,硬度不断增加,到600 ℃附近达峰值,这是由于Ti和B粉发生反应生成稳定的硼化物所致,更高温度时硬度稍有降低,但降幅很小.西安交通大学董仕节[8-9]等研究了烧结工艺和TiB2含量对TiB2增强铜基复合材料性能的影响.提出TiB2/Cu复合材料导电率定量计算公式如下[10]:

(1)

σ为铜基复合材料导电率,σ0为基体铜的导电率,c为TiB2体积含量.

李京徽[11]采用机械合金化方法,先球磨制备Cu-TiB2复合粉末,然后通过压制烧结方法制备Cu-TiB2复合材料.提出了机械合金化法制备Cu-TiB2复合材料的合理工艺是:球磨时间60 h,压制压力400 MPa,烧结温度900 ℃,保温时间2.5 h.

机械合金化法是在固态下实现合金化,不经过气相、液相,不受物质的蒸汽压、熔点等物理特性因素的制约,使过去用传统熔炼工艺难以实现的某些物质的合金化、远离热力学平衡的准稳态、非平衡态及新物质合成等成为可能;增强相与基体具有很好的结合性;增强相颗粒分布均匀,尺寸细小.唯一的缺点是制备过程中可能带入杂质,纯度不够高.

1.2 自蔓延高温合成法

自蔓延高温合成法(SHS)是1967年由前苏联学者Merzhannov等发明的,是利用放热反应使混合体系的反应自发地持续进行,生成金属陶瓷或金属间化合物的一种方法.刘利[12]等采用自蔓延高温燃烧合成技术研究了材料体系对合成过程中产物特性(温度、燃烧速度及产物等)的影响.研究结果表明,在体系中添加一定的金属钼或铁,明显改善了体系的润湿性;钼或铁的加入使产物中金属分布更加均匀,大大降低了产物孔隙率.同时钼的加入还明显降低了晶粒尺寸.

SHS法制备金属基复合材料有生产过程简单、反应迅速、反应温度高以及易获得复杂相或亚稳定相和应用范围广等特点.但缺点是反应难以控制,产品空隙率高,难以获得高密度的产品,不能严格控制反应过程和产品的性能,所用原料往往可燃、易爆或有毒,需要采取特殊的安全措施.

1.3 粉末冶金法

粉末冶金法是生产铜及铜基复合材料结构件、摩擦材料和高导电材料的重要方法[13].制备TiB2-Cu一般采用直接混合法和包覆混合法制取[14].主要工艺过程包括:(1)制取复合粉末;(2)复合粉末成型;(3)复合粉末烧结.吴波[15-16]等以Cu、Ti、B4C合金粉末为原料,制备了TiB2-Cu复合材料,得出最佳工艺参数为:以TiB2理论生成量为5%(质量分数)配料,在800 MPa压力下对球磨后的合金粉末进行模压,在1 273 ℃经4.5 h保温烧结,经原位反应可获得TiB100弥散增强的铜基复合材料.试样的导电率为:20.2%IACS,硬度(HV)为161.张剑平[6]等采用粉末冶金法制备了TiB2-Cu复合材料,研究了真空加热烧结和微波烧结两种不同烧结方式对该复合材料组织和性能的影响.

粉末冶金法是最早用来制造金属基复合材料的方法,虽然有很多优点,如可实现多种类型的复合,充分发挥各组分材料的特性,是一种低成本生产高性能复合材料的工艺技术.但由于基体和增强相在尺寸、形状和物理化学性能上有很多差别,提高TiB2增强相与铜基体的润湿性,提高基体与增强相之间的界面结合强度,从而提高复合材料的综合性能,将依然是TiB2-Cu基复合材料的研究方向.

1.4 喷射沉积法

喷射沉积法制备TiB2-Cu基复合材料,主要包括传统喷射沉积法和反应喷射沉积法.传统喷射沉积法是熔炼好含反应元素的合金后再进行喷射沉积[17].此方法是在铜合金熔体内反应元素间发生化学反应生成弥散粒子,然后利用喷射沉积法使强化粒子均匀分布在铜基体内.反应喷射沉积法是利用液滴与反应气体、注入的粒子或不同合金的液滴间发生原位化学反应合成弥散强化铜合金[18-19].在反应喷射沉积过程中,由于液滴的比表面积大和处在高温状态,能使反应元素间在液滴飞行过程中或在沉积后,能在铜基体内部原位合成细小的弥散强化相.喷射沉积法的优点主要是:晶粒细小,无宏观偏析、颗粒均匀分布于基体中;一次性快速复合成坯料,生产工艺简单,效率高.

2 高强高导TiB2-Cu基复合材料的研究展望

随着复合材料技术的发展,原位复合法得到了迅速发展,该材料以其独特的优点,在高强高导电性TiB2-Cu基复合材料的制备方面显示出巨大的应用潜力和良好的发展前景.高强度导电TiB2-Cu基复合材料是综合性能优良的新兴材料,这类材料在现代国防和民用工业领域有着很大的应用潜力.自20世纪70年代以来,高强度导电铜基材料的开发研究一直非常活跃,除了开发出多种高强度导电铜基复合材料外,还派生和创造出许多新的制备技术,对此类材料的基础理论也开展了广泛的研究.现有的高强度导电TiB2-Cu基材料的开发及制备技术还存在诸多难题,我国在这方面的研制与发达国家相比还存在较大差距.因此,借鉴国外经验,今后的研发工作主要着眼于以下几个方面:

(1) 对现有制备工艺的研究和改进.如在传统的粉末冶金法中引入由微波加热与基座辐射加热相结合的新型工艺;原位合成技术与粉末冶金技术的综合运用等,由单一的制备方法向几种工艺相复合的方向发展.

(2) TiB2增强相向超细化、纳米化方向发展.纳米增强相尺寸较小,容易聚集,所以可使纳米增强相的表面改性;TiB2纳米粒子与基体的界面相互作用机制,可优化界面结构,充分发挥界面的增强效应;纳米TiB2增强相在铜基体中更加均匀弥散地分布等是研究的热点.

(3) 增强相也由单一的TiB2颗粒向复合陶瓷颗粒方面发展.如增加TiB2和Al2O3两相颗粒进行复合增强.

(4) 充分发挥材料的设计自由性,探索高性能、低成本和容易大规模生产的TiB2-Cu铜基复合材料的制备工艺,推进高强度导电材料的产业化应用,将成为今后研究的重要课题.

3 结束语

基于TiB2-Cu基复合材料优良的导电性、高强度和耐高温等一系列优异性能,今后围绕其导电性和强度展开研究仍是一个热点,进而简化工艺流程、降低生产成本,逐渐工业化也是今后的研究方向.特别是随着我国高铁系统的发展,TiB2-Cu基复合材料的需求缺口很大,所带来的市场经济效益相当可观.

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