钨铜复合材料的研究及应用现状

汪亦凡，丁辉，方军，王伟，李红进

(安徽天航机电有限公司，安徽芜湖 241000)

钨铜合金是由钨和铜两相单体均匀混合而成的组织，既不互溶又不形成金属间化合物，是一种典型的假合金。其结合了两种组分金属各自的优异性能，如钨的耐高温、高强度、高密度特性和铜的高导电导热性、高塑性等。不仅如此，钨铜合金的性能还可以通过改变其组成成分的比例而加以调节［1-3］。钨铜合金所具备的优异性能以及其可调控的特点，使得其在电气、电子、核能以及军事等领域都有着十分广阔的应用前景。

1 制备方法

钨和铜两种金属材料的物理性能差异很大，互不相容，无法形成固溶体，并且熔点相差巨大，因此要制备出致密均匀、高性能的钨铜复合材料还有许多问题亟待解决，国内外研究人员为其开发制备都做出了巨大努力。目前，钨铜合金的制备方法分为传统制备方法和现代制备方法两大类。其中，传统的制备方法主要有高温液相烧结法、熔渗法、热压烧结以及活化烧结法等。随着新技术新工艺的开发和研究，一些新的现代制备方法也相继出现，如放电等离子体烧结、3D打印、机械合金化等。

1.1 高温液相烧结

高温液相烧结是一种常见的钨铜复合材料制备方法，利用物理方法将钨粉和铜粉混合，压制成型，在高温下进行烧结，通常温度高于1400℃，从而获得钨铜复合材料。高温下，铜熔融成液体，可以填充压制成型的空隙，也可以促进钨材料粉末的移动重排，该方法制备的复合材料密度可以达到理论密度的90%～95%［4］。高温液相烧结工艺简单，可用于大批量生产，但生产成本较高，且致密度差，性能质量不高，难以满足使用要求，应用不多。通常可以结合工艺、设备来增加性能，如复压、热锻等。

1.2 熔渗法

熔渗法是一种应用十分广泛，日益成熟的方法，它是利用钨和铜材料熔点差异的特点和预制备的多孔钨骨架材料，在低于钨的熔点、高于铜的熔点的温度条件下进行烧结。利用毛细管力作用，将熔融态的铜填充到钨材料间隙中，从而制备出高致密的钨铜复合材料。通过熔渗法可以获得致密度高、性能优异的钨铜复合材料。通过设计钨骨架中钨的粒度、颗粒掺杂、烧结温度和添加剂等，可以改善材料性能，甚至得到含量差异的梯度材料，以用于各种用途，但该方法制备工艺较复杂，成本高。

1.3 热压烧结

热压烧结是一种常用的增强烧结性能的方法，它是利用设备烧结材料的同时，对材料施加一定力的作用，从而提高烧结致密性，广泛应用于各种材料的烧结制备。热压烧结可以提高钨铜复合材料烧结性能，通过设计烧结过程中温度、压力、保压时间，可以得到致密度极高复合材料。相比传统制备的商业钨铜复合材料，Zhuo等［5］通过热压烧结法制备了镍涂覆的钨纤维增强的钨铜复合材料，其拉伸强度提高了15.8%，耐电击穿强度提高了65.3%。但该方法设备和磨具复杂，需要气氛保护，综合成本高，不利于大批量生产。

1.4 活化烧结

活化法是利用机械合金化、电镀、溶胶凝胶、热化学等方法，对钨铜复合材料的原料粉末进行改性，得到超细纳米粉，从而提高烧结体性能的方法。此外，还可以利用在钨铜中添加活化剂，如镍、钴、银等，提高材料综合性能，但活化剂的加入对热导和电导性有较大损害［6-8］。

1.5 放电等离子体烧结

放电等离子体烧结是一种先进的高速烧结技术，融合了压力烧结、低压直流脉冲辅助烧结等多种烧结技术，继承了多种烧结方法的优点；与热压烧结类似，放电等离子体烧结在烧结过程中同时进行加压和升温，两者产生协同效应，实现合金的致密化。不仅压力效应和热效应可以促进烧结过程，另外，直流脉冲电流作用下产生的颗粒间放电能激发等离子体，产生的等离子体可以净化金属颗粒表面，提高烧结活性，加速烧结过程中原子间的扩散；另外，颗粒间放电使粉体颗粒产生自发热［9］，实现高速升温，并且还会产生另外一些譬如促进晶粒体扩散、晶界扩散的现象，加速了烧结致密化过程，因此可以在比较低的温度和比较短的时间得到高质量的烧结体［10］。相比其他烧结方式，放电等离子体烧结具有升温速度快，降温速度快，烧结温度低，操作方便等特点［11］。

2 性能改进

随着研发的深入，要得到性能更高，致密度更大的钨铜复合材料，主要是要克服钨和铜的互不溶性，结合钨铜复合材料产品的特性对其进行致密性压力加工，以满足使用要求，提高致密性和综合性能。

2.1 钨铜超细原粉制备

随着纳米材料的研究深入，材料粒度越小，表面活性越大，粉体烧结性能也就越好。鉴于钨铜复合材料的假合金特性，将原料粉末超细化、纳米化，是获得致密度更高、性能更高的重要途径。目前，超细钨铜复合原粉的制备方法主要包括机械合金化、溶胶-凝胶法、喷雾干燥法、氧化物共还原法、机械-热化学合成法以及沉淀法等。

机械合金化将钨和铜原料粉末放入高性能球磨机中进行球磨，通过时间、转速等控制，从而获得细化的原料粉；溶胶-凝胶法制备的钨铜复合粉末粒度均匀、纯度高、表面活性较大，易于制备成型；喷雾干燥法只能获得钨和铜氧化物粉末，利用还原法获得超细钨铜复合粉末；钨和铜氧化物比单质金属易于混合分布，将充分弥散分布的钨和铜的氧化物进行还原，从而获得超细均匀的钨铜复合粉；机械-热化学合成法是利用钨和铜氧化物粉末进行机械合金化球磨制备粉末，再利用还原法得到复合粉体；沉淀法是利用液相先析出沉淀，再经煅烧、还原等工艺条件，最终得到钨铜复合粉体。在实际生产和应用中，往往会结合多种方式，获得超细钨铜复合原粉，以满足使用和生产的需要。

2.2 钨铜复合材料的压力致密工艺

为进一步提高钨铜复合材料成形产品的致密性，改善和提高其使用性能，根据产品品种、外形等特性，对其进行压力致密性加工，目前主要的压力加工方法有：热等静压、静液挤压、热锻等方法。可以消除钨铜复合材料中的空隙、缩孔等缺陷，此过程充分利用铜的延展性，提高材料的性能，但该方法设备成本高、效率低；静液挤压是利用流体介质将力传到材料上，更加有利于变形的均匀性，该方法可以大大提高钨铜复合材料的致密度、强度、导电性等；热锻、热轧等常用变形工艺也对钨铜复合材料的性能有所改善。

3 应用现状

3.1 电气工业领域的应用

到目前为止，金和银是电接触材料的最佳候选材料［12］。然而，金银的高成本使其应用受到了极大的限制［13］。最近的实验和理论研究表明，由于钨铜复合材料复合材料的接触电阻低且稳定、可加工性强、电阻高、可中断性高以及耐压强度高，其有望成为电触头材料的理想选择，例如电气开关，接触器，断路器，调压器，电弧尖端，开关装置和继电器。近年来，在真空条件下使用的钨铜复合材料电触头必须满足一些特殊的、更高的要求，如触头材料中的气体含量低，这将拓宽钨铜的应用领域，也将促进钨铜复合材料制备技术的发展。

3.2 电子工业领域的应用

电子封装的主要功能是向芯片提供电源和信号输入输出，其主要的技术性能指标包括优异的导电性、良好的导热性、化学惰性、高硬度以及适当的热膨胀等。随着微电子学的飞速发展，常规的封装材料已无法满足上述要求。例如，当需要高导热率的材料时，通常使用铜（393 W/m·K）和铝（238 W/m·K）之类的金属，但是，这些金属通常具有较高的热膨胀系数值，并且当相邻组件的热膨胀系数较低时将无法满足要求。满足这些要求的一种方法是创建具有专门针对电子包装量身定制的特性的新型复合材料。特别是在低热膨胀系数和高热系数的情况下，可以通过改变钨和铜的成分来改变热膨胀系数和高热系数。此外，热膨胀系数与普通的半导体材料相似，因此可确保整个封装的使用寿命长。因此，钨铜复合材料有望广泛应用于电子封装材料。

3.3 军事领域的应用

钨铜复合材料由于其优异的性能而成为有前途的军事材料。关于作为固体燃料火箭的推力矢量射流叶片、喉管衬里、装甲材料和喷嘴喉管的钨铜复合材料已有报道［14-17］。主要原因是由于在高温环境下使用钨铜复合材料时熔点低，沸点高，钨铜复合材料中的铜成分汽化并去除大量热量，导致钨铜成分表面温度明显降低［18］。近年来钨铜合金复合材料在军事领域的一些新的用途也在不断地迅速发展，比如破甲弹的药型罩主要利用钨铜合金复合材料的高密度、高强度和高动态力学性能，可以大大提高破甲弹的破甲威力［19］。由于钨的高密度以及其在高温条件下强度的降低，限制了钨铜复合材料在军事领域的应用。因此，随着高性能钨铜复合材料制备技术，理论研究和应用研究的发展，相信在军事领域将有更广阔的应用前景。

4 结论

本文对钨铜复合材料的制备、改性和应用现状进行了描述，钨铜复合材料由于其卓越的性能被广泛应用于众多领域。目前，在钨铜复合材料的制备过程中，钨和铜的互溶性差与润湿性低等对钨铜复合材料的密度、微观结构、晶粒尺寸、硬度和强度产生着重要影响。尽管近年来研究者们开发了一些新颖的技术来制备高密度和结构精细的钨铜复合材料，但未来仍然面临着巨大的挑战。首先，尽管这些新技术显著地提高了钨铜复合材料的性能，但是由于昂贵的设备和复杂的工艺，工业生产受到了限制，因此必须开发一种高效、廉价和应用广泛的制备技术。其次，基于钨铜复合材料理论的研究很少，现有文献主要集中在如何获得高性能的钨铜复合材料上，这可能会导致理论与工业生产脱节。未来，研究者仍需不断地探索新的制备钨铜复合材料的方法，电子行业和其他高尖端技术领域的快速、迅猛发展将使钨铜复合材料未来的应用范围愈加广泛。

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