钨铜复合材料制备技术的发展与应用*

徐　竹

(西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089)



钨铜复合材料制备技术的发展与应用*

徐竹

(西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089)

介绍了熔渗法和复合粉末烧结法制备钨铜复合材料的制备技术，研究了具有良好导电性、导热性和耐高温等优良性能的钨铜复合材料在真空开关电器、电子封装、固体火箭发动机喉衬和燃气舵等方面的应用。

钨铜复合材料；熔渗法；复合粉末烧结法；应用

钨铜复合材料是一种由钨和铜组成的既不相互固溶也不形成金属间化合物的一种复合材料，通常称为假合金[1-2]。钨和铜元素之间的弱交互作用使它们在复合之后兼容了钨、铜的优点，既具有钨的高熔点、耐电弧腐蚀、抗熔焊性能和抗侵蚀能力，又具有铜的优良导电性能，可用作大规模集成电路和微波器件中的散热元件，能有效延长电子元件的使用寿命。钨铜复合材料利用铜在高温下挥发形成的发汗制冷作用，可降低钨铜表面温度，能够保证在高温极端条件下使用。在航空航天中，主要应用在导弹、火箭发动机的喷管、燃气舵、空气舵和鼻锥等部件。

1　钨铜复合材料制备技术

1.1熔渗法

熔渗法是将纯钨粉或掺入部分铜粉的混合粉压制成压坯后，在高温下烧结形成内部连通的钨骨架，然后利用外加压力使铜熔化后，渗入到钨骨架的孔隙中，形成较致密的钨铜复合材料。

高温烧结制备钨骨架是应用较早、较为广泛的钨骨架制备工艺。钨骨架内有较多的闭孔，复合材料相对密度较低，而且钨骨架烧结时易发生收缩变形。为了获得良好的熔渗效果，常使用涂层技术、添加合金元素或提高熔渗温度等方法来改善润湿性，或者通过加压来实现熔渗。王利剑等[3]采用流延成形-熔渗烧结法，以铜包钨复合粉末为原料，经过胶体的流延成形、脱胶、预烧、预压和熔渗烧结，制备出相对密度达98.8%的WCu20合金薄板，其组织呈现铜相均匀填充在钨颗粒周围的网络状分布，具有高于相应的国家标准的电导率、热导率和硬度。孙祥鸣等[4]根据燃烧合成体系采用超重力燃烧熔渗方法制备出组织致密，且钨颗粒体积分数呈梯度分布的钨铜合金。周张建等把W/Cu梯度适配层与纯钨连接在一起，制成完整的W/Cu功能梯度材料。齐艳飞等[6]也研究了钨骨架渗铜法、焊接法制备W-Cu功能梯度材料。许龙山等[7]采用添加蓝钨的还原烧结工艺，制备了钨骨架，熔渗后W-Cu组织致密度大，热导率好。

1.2复合粉末烧结法

随着纳米科技的发展，粉末越细，烧结温度越低，越容易实现致密化。采用超细或纳米钨铜复合粉，可以在较低温度下直接烧结制得近全致密度钨铜复合材料。郭鑫峰等[8]研究了采用喷雾干燥-锻烧、还原工艺制备W-30Cu纳米复合粉末液相烧结致密化与晶粒长大机制，在液相烧结15～120min，W-30Cu复合粉末在烧结过程中，钨晶粒不断长大球化，使细晶W-Cu获得近全致密。郭查峰等[9]利用溶胶-喷雾干燥法制备了钨铜纳米复合粉末，研究结果显示，随烧结时间延长或烧结温度升高，钨铜复合材料更加致密。

复合粉末直接烧结法中最重要的是制备出烧结性能好的超细(或纳米)钨铜复合粉。在粉末的制取方法中，研究较多的还有机械合金化法和共还原法。

机械合金化是将钨、铜等元素粉末在高能球磨机中进行高能球磨，通过高能球磨反复地破碎、冷焊、再破碎和再冷焊，达到钨与铜的机械合金化，使钨铜复合粉均匀分布和极度细化，甚至形成纳米晶。高翔等[10]采用热机械合金化法，以钨粉和CuO粉为原料，在空气气氛下高能球磨制备纳米晶W-Cu复合粉末，球磨粉末还原后有较高的烧结活性，1 200 ℃烧结后W-Cu复合粉末相对密度可>97%。范景莲等[11]采用溶胶球磨法制备W-10Cu、W-20Cu复合粉末，研究了球磨工艺对W-Cu复合粉末粉末粒度、形貌和烧结性能的影响。

共还原法是将钨和铜的氧化物或盐类混合物简单球磨细化，或者采用盐类的混合溶液获得超细或纳米晶的钨铜化合物的混合粉，然后在氢气中还原得到超细或纳米晶的钨铜复合粉。刘舒等[12]以钨酸钠和硝酸铜为原料，采用水热合成-共还原法，制备粒度尺寸约为70nm且颗粒分布均匀的纳米级钨铜复合粉末，通过真空热压烧结法制备钨铜复合材料。赵晶晶等[13]采用水热合成-共还原法制备W-20%Cu复合粉体，通过氢气还原成为典型的铜包钨结构的钨铜复合粉体，呈规则球形，晶粒度约为70nm，钨铜分布均匀。

纳米钨铜复合粉末的颗粒小，活化性大，在烧结中极易长大。目前，还有把机械球磨与还原相结合制备超细钨铜复合粉末。段柏华等[14]采用WO3与CuO粉为原料，以高浓度湿磨法制得CuWO4-WO3前驱体粉末，再通过氢气还原获得超细W-Cu复合粉末，该复合粉末细小，分散均匀，还原温度对其形貌影响不大；而直接还原超细WO3-CuO混合粉末所得的W-Cu复合粉末由大量W-Cu纳米颗粒构成，随还原温度升高，纳米W-Cu颗粒会逐渐长大。

殷婷等[15]采用放电等离子烧结工艺制备Cu-W-TiC复合材料，添加3%TiC后，复合材料的致密度和硬度有所提高，电导率有所下降。放电等离子烧结(SparkPlasmasintering，SPS)是新一代的烧结方法，它结合了活化烧结和热压烧结的优点，加热均匀，升温速度快，烧结温度低、时间短，生产效率高，产品组织细小均匀，能保持原材料的自然状态，可以得到高致密度的材料、烧结梯度材料以及大型工件等复杂材料。

1.3其他制备方法

近年来，在制备高性能钨铜复合材料方面出现了一些新的工艺技术，如快速定向凝固技术、电弧熔炼法、特定结构法、纤维强化法和功能梯度法等；另外，热气流雾化、热化学法等先进制粉技术也有望在制备纳米钨铜复合粉上取得突破。

2　钨铜复合材料的应用

2.1电触头材料

目前，钨铜复合材料的主要用途是电触头，特别是高压及超高压开关电器的触头。电触头材料在开关电器中的功能是在电路中接通和断开电流，是仪器仪表、电器开关中非常重要的接触元件。罗昊等[16]采用热压烧结熔渗法制造3种铜钨合金触头，CuW50、CuW70和CuW80等3种合金的连续相不同，随着钨含量的增加，密度及硬度增加，而电导率显著下降。吴婷[17]利用粉末冶金法制备了铜基电接触材料铜钨碳化钨/铜双层产品，CuW/WC复合材料兼有铜的高电导率、高热导率，钨的高熔点、高比重、抗电蚀性、抗熔焊性和高的高温强度，以及WC的高熔点、高硬度性能。王瑞娟等[18]研究高压和真空铜基触头在材料及制备工艺等方面的发展趋势。

2.2微电子技术应用

由于钨铜复合材料具有较高的热导率、电导率，近年来在大规模集成电路和大功率微波器件中得以应用。作为电子封装材料，钨铜复合材料的高导热及耐热性使微电子器件的使用功率大大提高，并使器件小型化。其热膨胀系数可以与微电子器件中硅片、砷化镓等半导体材料及管用陶瓷材料很好匹配连结。任淑彬等[19]主要针对满足大功率微波器件散热要求而开发的金属基复合材料的发展及制备进行研究，我国W-Cu传统电子封装材料的制备与应用技术己非常成熟，并形成了工业化生产[20-21]。

2.3高温用钨铜复合材料

钨铜复合材料广泛用于固体火箭发动机喷管、喉衬、燃气舵、护板和紧固件等，尤其是在喉衬、燃气舵上的应用比较成熟，己经形成了相应的标准[22]。燃气舵、喷管喉衬等固体火箭发动机的关键部件，它们的工作环境十分恶劣，在点火瞬间承受的温升约为2 000 ℃/s，工作温度通常约为3 000 ℃。钨铜复合材料在高温3 000 ℃或更高温度时两相组织中所含的铜将发生汽化而吸收大量的热量，从而能显著降低钨铜器件表面的温度，使其能在高温环境中使用。例如，这种高科技及军事国防用钨铜复合材料要求材料能够耐高温、抗热震、耐冲刷，这类应用一般采用ω(Cu)=5%～10%的钨铜复合材料，钨骨架孔隙有很好的连通性和良好的毛细作用，以保证在高温使用时，铜既能很好的气化而又不造成过快挥发损失。

3　结语

作为一种重要的粉末冶金复合材料，钨铜复合材料因具有一系列优异的性能得到广泛应用。随着现代科学技术的发展，高度弥散、纳米化粉末制备技术，新型压制技术以及快速烧结技术的引入，使获取综合性能更为优异的高致密钨铜复合材料成为可能，这必将进一步扩大钨铜复合材料的应用领域。

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*西安航空职业技术学院2014院级精品资源共享课程基金资助项目(2014JZ07)

责任编辑郑练

DevelopmentandApplicationofPreparationTechnologyofTungstenCopperCompositeMaterials

XUZhu

(Xi’anAeronauticalPolytechnicInstitute,Xi’an710089,China)

Mainlyintroducetheinfiltrationandcompositepowdersinteringmethod,andtheresearchstatusoftungstencoppercomposites.Thetungstencoppercompositematerialwhichhasgoodelectricalconductivity,thermalconductivity,resistancetohightemperatureandexcellentperformanceofarereviewedinvacuumswitch,electronicpackaging,solidrocketnozzlelining,gasrudder,etc.

tungstencoppercomposite,meltinfiltrationmethod,compositepowdersinteringmethod,application

TB 33

B

徐竹(1982-)，女，硕士，讲师，主要从事复合材料成型技术等方面的研究。

2016-01-08