Y2O3對Micro-FAST制備銅基復(fù)合材料組織與性能的影響*

湯若梅，楊 剛，吳明霞

(四川大學(xué) 機械工程學(xué)院，成都 610065)

0 引 言

近年來，金屬基復(fù)合材料因其高的比強度、比剛度以及良好的耐磨性、耐腐蝕性等特殊性質(zhì)而備受關(guān)注[1-3]。銅及其合金由于具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和良好的耐腐蝕性及抗疲勞性，被廣泛應(yīng)用于電子器件行業(yè)中。然而，由于其機械性能差，如較低的硬度及強度、耐熱性差、高溫下易軟化變形等，故制約了其應(yīng)用范圍[4-6]。

研究表明，向銅基體中引入增強體可以提高銅基體的機械性能而不會降低基體的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，得到的銅基復(fù)合材料具有比銅合金更突出的優(yōu)點[7-9]，這些復(fù)合材料可用作繼電器、接觸器、開關(guān)和電子封裝中的電接觸材料。Y2O3是一種介電固體，具有高折射率、高介電常數(shù)、大帶隙、低吸收及優(yōu)異的電擊穿強度。此外，還具有良好的熱力學(xué)穩(wěn)定性及優(yōu)異的導(dǎo)熱性、耐腐蝕性及抗熱沖擊性能，其獨特性質(zhì)使其成為銅基復(fù)合材料中廣泛使用的增強材料之一[10-12]。

當前，制備銅基復(fù)合材料常見的方法包括機械合金化法、粉末冶金法、電解共沉積法、內(nèi)氧化法等[13-16]。在各種制備方法中，多物理場活化燒結(jié)微成形技術(shù)(Micro-FAST)由于綠色環(huán)保、成型效率高、燒結(jié)溫度低，是制備銅基復(fù)合材料最有效的技術(shù)之一[17-18]。通過施加大電流、低電壓(上萬安培電流、3～10 V左右電壓)的交流電通過粉末/模具體系，并利用焦耳熱效應(yīng)使粉末體系均勻快速升溫，使粉末體系在多物理場(電場、熱場、力場)耦合作用下，實現(xiàn)快速成形。目前，雖然有一些關(guān)于Y2O3/Cu復(fù)合材料制備的研究報道，然而，關(guān)于Y2O3/Cu復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和機械性能研究的文獻較少。為此，本文采用Micro-FAST制備Y2O3/Cu復(fù)合材料，研究Y2O3添加量對其微觀組織及性能的影響，以期為Y2O3/Cu復(fù)合材料的制備提供借鑒和參考。

1 實 驗

1.1 實驗原材料

使用電解銅粉(紅棕色，平均粒徑25 μm，純度為99.8%)和Y2O3粉(白色，平均粒徑5 μm，純度為99.9%)為原材料，銅粉及Y2O3粉的SEM形貌見圖1。

1.2 樣品制備

將Y2O3粉末含量按0%、0.5%、1%、1.5%、2%(質(zhì)量分數(shù))與電解銅粉進行配料混合，在罐中加入無水乙醇作為過程控制劑，球料比為10∶1，磨球材料為直徑15 mm的氧化鋯，以150 r/min的轉(zhuǎn)速球磨4 h，球磨后的粉末被置于干燥箱中在90 ℃下干燥1 h。

實驗設(shè)備為Gleeble-1500D熱模擬機，實驗方法為：將混好的粉末準確稱量后裝填入石墨模具，將模具置于Gleeble-1500D熱模擬機的工作腔中，將熱模擬機的工作腔抽真空至10-2～10-3Pa后，在50 MPa的單軸壓力下以50 ℃/s的升溫速度升至預(yù)設(shè)燒結(jié)溫度600 ℃并保溫3 min，保溫結(jié)束后斷電取出試樣空冷至室溫，最后得到φ8 mm×10 mm的Y2O3/Cu復(fù)合材料燒結(jié)圓柱試樣。

1.3 樣品表征與性能測試

實驗結(jié)束后，利用阿基米德排水法測試試樣的相對密度；用維氏顯微硬度計測試試樣的顯微硬度，在300 g的載荷下保持15 s；室溫下利用Sigma2008數(shù)字渦流金屬電導(dǎo)儀測試試樣的電導(dǎo)率；采用DX-2500X型X射線衍射儀對試樣的物相進行分析；采用Olympus-GX51金相顯微鏡及帶有能譜儀的HITACHI S-4800掃描電子顯微鏡觀察試樣的顯微組織并進行成分分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 銅基復(fù)合材料的物相分析

利用XRD對不同Y2O3添加量所對應(yīng)的Y2O3/Cu復(fù)合材料進行了物相分析。圖2為復(fù)合材料的XRD譜圖。

圖2 添加不同質(zhì)量的Y2O3制備的復(fù)合材料的XRD譜Fig 2 XRD patterns of the composites with different Y2O3 contents

從圖2可以看出，圖譜中未顯示出Y2O3的特征衍射峰。由于所添加的Y2O3量較少，球磨后Y2O3在銅基質(zhì)內(nèi)均勻分散開來，因此X射線衍射未檢測出來。此外，所有燒結(jié)后的樣品除Cu外均未檢測出其它相的存在，表明Y2O3粉與銅基質(zhì)在球磨及燒結(jié)期間不存在化學(xué)反應(yīng)，也未引入其它雜質(zhì)。

2.2 Y2O3添加量對燒結(jié)試樣致密度及硬度的影響

圖3為不同Y2O3的添加量所對應(yīng)的復(fù)合材料相對密度及硬度變化曲線。材料的相對密度是影響材料綜合性能的一個重要物理量，同樣，材料的硬度也是材質(zhì)的一項重要指標。因此，從Y2O3/Cu復(fù)合材料的相對密度及硬度曲線可以看出Y2O3添加量對材料力學(xué)性能的影響。

圖3 不同Y2O3添加量制備的Y2O3/Cu 復(fù)合材料的相對密度及硬度曲線圖Fig 3 Relative density and hardness of Y2O3/Cu composites with different Y2O3 contents

從圖3可以看出，隨著Y2O3添加量的增加，銅基復(fù)合材料的相對密度及硬度均逐漸增大，Y2O3添加量為1.0%時出現(xiàn)峰值，相對密度及硬度分別為99.91%及75.8HV。然而，隨著Y2O3添加量的繼續(xù)增加，復(fù)合材料的相對密度及硬度均出現(xiàn)略微下降。這是由于Y2O3顆粒的平均粒徑小于銅粉的平均粒徑，燒結(jié)時加入少量的Y2O3小尺寸顆粒可以使其充分充填到銅基體之間的空隙中，從而減小了粉末之間的空隙，使得粉末之間結(jié)合更為緊密因此，添加少量的Y2O3有助于提高復(fù)合材料的致密度。然而，受界面效應(yīng)的影響，Y2O3與銅粉界面結(jié)合處存在一定的孔隙，即微裂紋，隨著Y2O3添加量的增加，界面效應(yīng)影響越來越明顯。因此，當Y2O3添加量超過1.0%時，界面效應(yīng)開始占主導(dǎo)作用，孔隙數(shù)量增加，從而復(fù)合材料的相對密度逐漸降低。

2.3 Y2O3添加量對燒結(jié)試樣微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖4(a)～(e)為不同Y2O3添加量時的Y2O3/Cu復(fù)合材料的金相顯微組織照片。從圖4可看出，復(fù)合材料的顯微組織具有典型的孿晶特征且較為致密，孔洞較少。

對比圖4(a)～(e)，隨著Y2O3添加量的增加，銅晶粒的平均尺寸先逐漸增大再減小，這與試樣致密度隨Y2O3含量增加而變化的規(guī)律一致。這是因為，當Y2O3質(zhì)量分數(shù)較小時，Y2O3顆粒較好地分布于Cu基體中；隨著Y2O3質(zhì)量分數(shù)的增加，Y2O3顆粒在銅基體中分布比較密集；當Y2O3質(zhì)量分數(shù)為2%時，銅基復(fù)合材料局部區(qū)域出現(xiàn)了Y2O3顆粒分布不均勻的現(xiàn)象，即增強相分布的均勻性變差。增強顆粒與基體中的位錯、晶界相互作用，阻礙位錯和晶界的移動，而銅基體晶粒的長大是通過晶界移動來進行的。因此，隨著復(fù)合材料中Y2O3顆粒的增加，銅基體中的Y2O3數(shù)量增加，它們對晶界的阻礙作用也越強，銅晶粒尺寸減小，Y2O3顆粒的加入破壞了銅基體的連續(xù)性，從而在材料內(nèi)部產(chǎn)生大量孔隙。而孔隙會阻礙晶界的移動，特別是大孔隙，靠擴散難以消除，會殘留在燒結(jié)后的晶界處，從而降低了材料的相對密度，材料致密化越來越困難，影響復(fù)合材料性能。

圖5為不同Y2O3添加量的Y2O3/Cu復(fù)合材料的SEM形貌和能譜圖。結(jié)合EDS能譜分析可知，箭頭所指物質(zhì)為Y2O3顆粒，其均勻分部在銅基體上。黑色孔洞一部分是由于燒結(jié)不致密而形成的孔洞、裂紋，一部分是由于試樣拋光腐蝕后，Y2O3顆粒掉落留下的腐蝕坑。此外，隨著Y2O3含量的增加，復(fù)合材料的孔隙率也有所增加，這主要是由于Y2O3顆粒阻礙基體Cu原子的擴散，且顆粒越多，阻礙作用越明顯，孔隙越難填充，可能導(dǎo)致銅基復(fù)合材料性能的下降。粉末在燒結(jié)時，增強顆粒和Cu基體不發(fā)生反應(yīng)，Y2O3與銅界面結(jié)合以機械結(jié)合為主。

圖5 不同Y2O3添加量制備的燒結(jié)試樣的SEM形貌及EDS圖譜Fig 5 SEM images of Y2O3/Cu composite with different Y2O3 contents

2.4 Y2O3添加量對燒結(jié)試樣電導(dǎo)率的影響

圖6為不同Y2O3的添加量所對應(yīng)的復(fù)合材料電導(dǎo)率變化曲線。使用Sigma2008數(shù)字渦流金屬電導(dǎo)儀測量燒結(jié)樣品的電導(dǎo)率并以International Annealed Copper Standard(國際標準退火銅IACS=58.0 MS/m)作為校準標準。可以看出，隨著Y2O3添加量的增加，Y2O3/Cu復(fù)合材料的電導(dǎo)率呈現(xiàn)出先提高后降低的趨勢。同樣，在加入的Y2O3質(zhì)量分數(shù)為1.0%時達到最大，為50.26 MS/m，相對純銅電導(dǎo)率(28.75MS/m)提升了74.4%。

圖6 不同Y2O3添加量制備的燒結(jié)試樣的電導(dǎo)率曲線圖Fig 6 Conductivity of the samples with different Y2O3 contents

對于金屬基復(fù)合材料，通過自由電子傳輸可以實現(xiàn)電的傳導(dǎo)，電子的定向傳輸受界面散射影響，并且隨著界面散射的增強而減弱。當增強相呈球狀時界面小，散射作用較弱，電導(dǎo)率較高，反之則電導(dǎo)率較低[19- 20]。分析其原因可知，通常情況下，復(fù)合材料的導(dǎo)電性與其致密度密切相關(guān)，材料的致密度越高，則其導(dǎo)電性也就越好，因此，Y2O3/Cu復(fù)合材料導(dǎo)電率與材料的致密度密切相關(guān)。隨著Y2O3添加量增加，復(fù)合材料的相對密度提高，從而提高了復(fù)合材料的電導(dǎo)率。其次，從圖4(a)～(c)可以看出，隨著Y2O3添加量的增加，燒結(jié)體的晶粒逐漸粗化，晶粒的粗化減少了晶界的總面積，因此，晶界處的電子散射減少，導(dǎo)電性增強，電導(dǎo)率提高。此外，隨著Y2O3的增加，電子定向傳輸時受到的界面散射減弱，電導(dǎo)率提高。但是，隨著Y2O3添加量的繼續(xù)增加，復(fù)合材料的相對密度降低，并且根據(jù)圖4(d) 、(e)，燒結(jié)體的晶粒逐漸減小，晶界面積增加。同時，Y2O3/Cu復(fù)合材料界面結(jié)合處存在的孔隙數(shù)量增加，而Y2O3強化銅基復(fù)合材料時，由于Y2O3和Cu熱膨脹系數(shù)的差異造成的內(nèi)應(yīng)力會導(dǎo)致晶格畸變，引起Y2O3周圍的位錯密度增加，Y2O3顆粒阻礙位錯運動，導(dǎo)致位錯增殖，電子散射增強，以上都在一定程度上增大了散射效應(yīng)，導(dǎo)致燒結(jié)體的電導(dǎo)率出現(xiàn)下降。

3 結(jié) 論

(1)采用多物理場耦合活化燒結(jié)技術(shù)(Micro-FAST)成功制備了Y2O3/Cu復(fù)合材料。在燒結(jié)溫度為600 ℃、保溫時間為3 min、施加壓力為50 MPa的燒結(jié)工藝條件下，當添加的Y2O3質(zhì)量分數(shù)為1.0%時，得到了最佳綜合性能的燒結(jié)體，其相對密度、硬度及電導(dǎo)率分別比純銅燒結(jié)樣提高了6.8%、41.4%、74.4%，分別達到99.91%、75.8HV及50.26 MS/m。

(2)宏觀力學(xué)性能測試及微觀顯微分析表明Y2O3/Cu復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于純銅燒結(jié)試樣，Y2O3分散在Cu基體中可起到良好增強相的作用。