鎢銅復(fù)合材料制備技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用*

徐　竹

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089)

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鎢銅復(fù)合材料制備技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用*

徐竹

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089)

介紹了熔滲法和復(fù)合粉末燒結(jié)法制備鎢銅復(fù)合材料的制備技術(shù)，研究了具有良好導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和耐高溫等優(yōu)良性能的鎢銅復(fù)合材料在真空開關(guān)電器、電子封裝、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)喉襯和燃?xì)舛娴确矫娴膽?yīng)用。

鎢銅復(fù)合材料；熔滲法；復(fù)合粉末燒結(jié)法；應(yīng)用

鎢銅復(fù)合材料是一種由鎢和銅組成的既不相互固溶也不形成金屬間化合物的一種復(fù)合材料，通常稱為假合金[1-2]。鎢和銅元素之間的弱交互作用使它們?cè)趶?fù)合之后兼容了鎢、銅的優(yōu)點(diǎn)，既具有鎢的高熔點(diǎn)、耐電弧腐蝕、抗熔焊性能和抗侵蝕能力，又具有銅的優(yōu)良導(dǎo)電性能，可用作大規(guī)模集成電路和微波器件中的散熱元件，能有效延長(zhǎng)電子元件的使用壽命。鎢銅復(fù)合材料利用銅在高溫下?lián)]發(fā)形成的發(fā)汗制冷作用，可降低鎢銅表面溫度，能夠保證在高溫極端條件下使用。在航空航天中，主要應(yīng)用在導(dǎo)彈、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管、燃?xì)舛?、空氣舵和鼻錐等部件。

1　鎢銅復(fù)合材料制備技術(shù)

1.1熔滲法

熔滲法是將純鎢粉或摻入部分銅粉的混合粉壓制成壓坯后，在高溫下燒結(jié)形成內(nèi)部連通的鎢骨架，然后利用外加壓力使銅熔化后，滲入到鎢骨架的孔隙中，形成較致密的鎢銅復(fù)合材料。

高溫?zé)Y(jié)制備鎢骨架是應(yīng)用較早、較為廣泛的鎢骨架制備工藝。鎢骨架內(nèi)有較多的閉孔，復(fù)合材料相對(duì)密度較低，而且鎢骨架燒結(jié)時(shí)易發(fā)生收縮變形。為了獲得良好的熔滲效果，常使用涂層技術(shù)、添加合金元素或提高熔滲溫度等方法來改善潤(rùn)濕性，或者通過加壓來實(shí)現(xiàn)熔滲。王利劍等[3]采用流延成形-熔滲燒結(jié)法，以銅包鎢復(fù)合粉末為原料，經(jīng)過膠體的流延成形、脫膠、預(yù)燒、預(yù)壓和熔滲燒結(jié)，制備出相對(duì)密度達(dá)98.8%的WCu20合金薄板，其組織呈現(xiàn)銅相均勻填充在鎢顆粒周圍的網(wǎng)絡(luò)狀分布，具有高于相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和硬度。孫祥鳴等[4]根據(jù)燃燒合成體系采用超重力燃燒熔滲方法制備出組織致密，且鎢顆粒體積分?jǐn)?shù)呈梯度分布的鎢銅合金。周張建等把W/Cu梯度適配層與純鎢連接在一起，制成完整的W/Cu功能梯度材料。齊艷飛等[6]也研究了鎢骨架滲銅法、焊接法制備W-Cu功能梯度材料。許龍山等[7]采用添加藍(lán)鎢的還原燒結(jié)工藝，制備了鎢骨架，熔滲后W-Cu組織致密度大，熱導(dǎo)率好。

1.2復(fù)合粉末燒結(jié)法

隨著納米科技的發(fā)展，粉末越細(xì)，燒結(jié)溫度越低，越容易實(shí)現(xiàn)致密化。采用超細(xì)或納米鎢銅復(fù)合粉，可以在較低溫度下直接燒結(jié)制得近全致密度鎢銅復(fù)合材料。郭鑫峰等[8]研究了采用噴霧干燥-鍛燒、還原工藝制備W-30Cu納米復(fù)合粉末液相燒結(jié)致密化與晶粒長(zhǎng)大機(jī)制，在液相燒結(jié)15～120min，W-30Cu復(fù)合粉末在燒結(jié)過程中，鎢晶粒不斷長(zhǎng)大球化，使細(xì)晶W-Cu獲得近全致密。郭查峰等[9]利用溶膠-噴霧干燥法制備了鎢銅納米復(fù)合粉末，研究結(jié)果顯示，隨燒結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)或燒結(jié)溫度升高，鎢銅復(fù)合材料更加致密。

復(fù)合粉末直接燒結(jié)法中最重要的是制備出燒結(jié)性能好的超細(xì)(或納米)鎢銅復(fù)合粉。在粉末的制取方法中，研究較多的還有機(jī)械合金化法和共還原法。

機(jī)械合金化是將鎢、銅等元素粉末在高能球磨機(jī)中進(jìn)行高能球磨，通過高能球磨反復(fù)地破碎、冷焊、再破碎和再冷焊，達(dá)到鎢與銅的機(jī)械合金化，使鎢銅復(fù)合粉均勻分布和極度細(xì)化，甚至形成納米晶。高翔等[10]采用熱機(jī)械合金化法，以鎢粉和CuO粉為原料，在空氣氣氛下高能球磨制備納米晶W-Cu復(fù)合粉末，球磨粉末還原后有較高的燒結(jié)活性，1 200 ℃燒結(jié)后W-Cu復(fù)合粉末相對(duì)密度可>97%。范景蓮等[11]采用溶膠球磨法制備W-10Cu、W-20Cu復(fù)合粉末，研究了球磨工藝對(duì)W-Cu復(fù)合粉末粉末粒度、形貌和燒結(jié)性能的影響。

共還原法是將鎢和銅的氧化物或鹽類混合物簡(jiǎn)單球磨細(xì)化，或者采用鹽類的混合溶液獲得超細(xì)或納米晶的鎢銅化合物的混合粉，然后在氫氣中還原得到超細(xì)或納米晶的鎢銅復(fù)合粉。劉舒等[12]以鎢酸鈉和硝酸銅為原料，采用水熱合成-共還原法，制備粒度尺寸約為70nm且顆粒分布均勻的納米級(jí)鎢銅復(fù)合粉末，通過真空熱壓燒結(jié)法制備鎢銅復(fù)合材料。趙晶晶等[13]采用水熱合成-共還原法制備W-20%Cu復(fù)合粉體，通過氫氣還原成為典型的銅包鎢結(jié)構(gòu)的鎢銅復(fù)合粉體，呈規(guī)則球形，晶粒度約為70nm，鎢銅分布均勻。

納米鎢銅復(fù)合粉末的顆粒小，活化性大，在燒結(jié)中極易長(zhǎng)大。目前，還有把機(jī)械球磨與還原相結(jié)合制備超細(xì)鎢銅復(fù)合粉末。段柏華等[14]采用WO3與CuO粉為原料，以高濃度濕磨法制得CuWO4-WO3前驅(qū)體粉末，再通過氫氣還原獲得超細(xì)W-Cu復(fù)合粉末，該復(fù)合粉末細(xì)小，分散均勻，還原溫度對(duì)其形貌影響不大；而直接還原超細(xì)WO3-CuO混合粉末所得的W-Cu復(fù)合粉末由大量W-Cu納米顆粒構(gòu)成，隨還原溫度升高，納米W-Cu顆粒會(huì)逐漸長(zhǎng)大。

殷婷等[15]采用放電等離子燒結(jié)工藝制備Cu-W-TiC復(fù)合材料，添加3%TiC后，復(fù)合材料的致密度和硬度有所提高，電導(dǎo)率有所下降。放電等離子燒結(jié)(SparkPlasmasintering，SPS)是新一代的燒結(jié)方法，它結(jié)合了活化燒結(jié)和熱壓燒結(jié)的優(yōu)點(diǎn)，加熱均勻，升溫速度快，燒結(jié)溫度低、時(shí)間短，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品組織細(xì)小均勻，能保持原材料的自然狀態(tài)，可以得到高致密度的材料、燒結(jié)梯度材料以及大型工件等復(fù)雜材料。

1.3其他制備方法

近年來，在制備高性能鎢銅復(fù)合材料方面出現(xiàn)了一些新的工藝技術(shù)，如快速定向凝固技術(shù)、電弧熔煉法、特定結(jié)構(gòu)法、纖維強(qiáng)化法和功能梯度法等；另外，熱氣流霧化、熱化學(xué)法等先進(jìn)制粉技術(shù)也有望在制備納米鎢銅復(fù)合粉上取得突破。

2　鎢銅復(fù)合材料的應(yīng)用

2.1電觸頭材料

目前，鎢銅復(fù)合材料的主要用途是電觸頭，特別是高壓及超高壓開關(guān)電器的觸頭。電觸頭材料在開關(guān)電器中的功能是在電路中接通和斷開電流，是儀器儀表、電器開關(guān)中非常重要的接觸元件。羅昊等[16]采用熱壓燒結(jié)熔滲法制造3種銅鎢合金觸頭，CuW50、CuW70和CuW80等3種合金的連續(xù)相不同，隨著鎢含量的增加，密度及硬度增加，而電導(dǎo)率顯著下降。吳婷[17]利用粉末冶金法制備了銅基電接觸材料銅鎢碳化鎢/銅雙層產(chǎn)品，CuW/WC復(fù)合材料兼有銅的高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率，鎢的高熔點(diǎn)、高比重、抗電蝕性、抗熔焊性和高的高溫強(qiáng)度，以及WC的高熔點(diǎn)、高硬度性能。王瑞娟等[18]研究高壓和真空銅基觸頭在材料及制備工藝等方面的發(fā)展趨勢(shì)。

2.2微電子技術(shù)應(yīng)用

由于鎢銅復(fù)合材料具有較高的熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率，近年來在大規(guī)模集成電路和大功率微波器件中得以應(yīng)用。作為電子封裝材料，鎢銅復(fù)合材料的高導(dǎo)熱及耐熱性使微電子器件的使用功率大大提高，并使器件小型化。其熱膨脹系數(shù)可以與微電子器件中硅片、砷化鎵等半導(dǎo)體材料及管用陶瓷材料很好匹配連結(jié)。任淑彬等[19]主要針對(duì)滿足大功率微波器件散熱要求而開發(fā)的金屬基復(fù)合材料的發(fā)展及制備進(jìn)行研究，我國(guó)W-Cu傳統(tǒng)電子封裝材料的制備與應(yīng)用技術(shù)己非常成熟，并形成了工業(yè)化生產(chǎn)[20-21]。

2.3高溫用鎢銅復(fù)合材料

鎢銅復(fù)合材料廣泛用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、喉襯、燃?xì)舛?、護(hù)板和緊固件等，尤其是在喉襯、燃?xì)舛嫔系膽?yīng)用比較成熟，己經(jīng)形成了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)[22]。燃?xì)舛?、噴管喉襯等固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，它們的工作環(huán)境十分惡劣，在點(diǎn)火瞬間承受的溫升約為2 000 ℃/s，工作溫度通常約為3 000 ℃。鎢銅復(fù)合材料在高溫3 000 ℃或更高溫度時(shí)兩相組織中所含的銅將發(fā)生汽化而吸收大量的熱量，從而能顯著降低鎢銅器件表面的溫度，使其能在高溫環(huán)境中使用。例如，這種高科技及軍事國(guó)防用鎢銅復(fù)合材料要求材料能夠耐高溫、抗熱震、耐沖刷，這類應(yīng)用一般采用ω(Cu)=5%～10%的鎢銅復(fù)合材料，鎢骨架孔隙有很好的連通性和良好的毛細(xì)作用，以保證在高溫使用時(shí)，銅既能很好的氣化而又不造成過快揮發(fā)損失。

3　結(jié)語

作為一種重要的粉末冶金復(fù)合材料，鎢銅復(fù)合材料因具有一系列優(yōu)異的性能得到廣泛應(yīng)用。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高度彌散、納米化粉末制備技術(shù)，新型壓制技術(shù)以及快速燒結(jié)技術(shù)的引入，使獲取綜合性能更為優(yōu)異的高致密鎢銅復(fù)合材料成為可能，這必將進(jìn)一步擴(kuò)大鎢銅復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

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*西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2014院級(jí)精品資源共享課程基金資助項(xiàng)目(2014JZ07)

責(zé)任編輯鄭練

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，碩士，講師，主要從事復(fù)合材料成型技術(shù)等方面的研究。

2016-01-08