鎢銅復(fù)合材料的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

汪亦凡，丁輝，方軍，王偉，李紅進(jìn)

(安徽天航機(jī)電有限公司，安徽蕪湖 241000)

鎢銅合金是由鎢和銅兩相單體均勻混合而成的組織，既不互溶又不形成金屬間化合物，是一種典型的假合金。其結(jié)合了兩種組分金屬各自的優(yōu)異性能，如鎢的耐高溫、高強(qiáng)度、高密度特性和銅的高導(dǎo)電導(dǎo)熱性、高塑性等。不僅如此，鎢銅合金的性能還可以通過改變其組成成分的比例而加以調(diào)節(jié)［1-3］。鎢銅合金所具備的優(yōu)異性能以及其可調(diào)控的特點(diǎn)，使得其在電氣、電子、核能以及軍事等領(lǐng)域都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。

1 制備方法

鎢和銅兩種金屬材料的物理性能差異很大，互不相容，無法形成固溶體，并且熔點(diǎn)相差巨大，因此要制備出致密均勻、高性能的鎢銅復(fù)合材料還有許多問題亟待解決，國(guó)內(nèi)外研究人員為其開發(fā)制備都做出了巨大努力。目前，鎢銅合金的制備方法分為傳統(tǒng)制備方法和現(xiàn)代制備方法兩大類。其中，傳統(tǒng)的制備方法主要有高溫液相燒結(jié)法、熔滲法、熱壓燒結(jié)以及活化燒結(jié)法等。隨著新技術(shù)新工藝的開發(fā)和研究，一些新的現(xiàn)代制備方法也相繼出現(xiàn)，如放電等離子體燒結(jié)、3D打印、機(jī)械合金化等。

1.1 高溫液相燒結(jié)

高溫液相燒結(jié)是一種常見的鎢銅復(fù)合材料制備方法，利用物理方法將鎢粉和銅粉混合，壓制成型，在高溫下進(jìn)行燒結(jié)，通常溫度高于1400℃，從而獲得鎢銅復(fù)合材料。高溫下，銅熔融成液體，可以填充壓制成型的空隙，也可以促進(jìn)鎢材料粉末的移動(dòng)重排，該方法制備的復(fù)合材料密度可以達(dá)到理論密度的90%～95%［4］。高溫液相燒結(jié)工藝簡(jiǎn)單，可用于大批量生產(chǎn)，但生產(chǎn)成本較高，且致密度差，性能質(zhì)量不高，難以滿足使用要求，應(yīng)用不多。通?？梢越Y(jié)合工藝、設(shè)備來增加性能，如復(fù)壓、熱鍛等。

1.2 熔滲法

熔滲法是一種應(yīng)用十分廣泛，日益成熟的方法，它是利用鎢和銅材料熔點(diǎn)差異的特點(diǎn)和預(yù)制備的多孔鎢骨架材料，在低于鎢的熔點(diǎn)、高于銅的熔點(diǎn)的溫度條件下進(jìn)行燒結(jié)。利用毛細(xì)管力作用，將熔融態(tài)的銅填充到鎢材料間隙中，從而制備出高致密的鎢銅復(fù)合材料。通過熔滲法可以獲得致密度高、性能優(yōu)異的鎢銅復(fù)合材料。通過設(shè)計(jì)鎢骨架中鎢的粒度、顆粒摻雜、燒結(jié)溫度和添加劑等，可以改善材料性能，甚至得到含量差異的梯度材料，以用于各種用途，但該方法制備工藝較復(fù)雜，成本高。

1.3 熱壓燒結(jié)

熱壓燒結(jié)是一種常用的增強(qiáng)燒結(jié)性能的方法，它是利用設(shè)備燒結(jié)材料的同時(shí)，對(duì)材料施加一定力的作用，從而提高燒結(jié)致密性，廣泛應(yīng)用于各種材料的燒結(jié)制備。熱壓燒結(jié)可以提高鎢銅復(fù)合材料燒結(jié)性能，通過設(shè)計(jì)燒結(jié)過程中溫度、壓力、保壓時(shí)間，可以得到致密度極高復(fù)合材料。相比傳統(tǒng)制備的商業(yè)鎢銅復(fù)合材料，Zhuo等［5］通過熱壓燒結(jié)法制備了鎳涂覆的鎢纖維增強(qiáng)的鎢銅復(fù)合材料，其拉伸強(qiáng)度提高了15.8%，耐電擊穿強(qiáng)度提高了65.3%。但該方法設(shè)備和磨具復(fù)雜，需要?dú)夥毡Ｗo(hù)，綜合成本高，不利于大批量生產(chǎn)。

1.4 活化燒結(jié)

活化法是利用機(jī)械合金化、電鍍、溶膠凝膠、熱化學(xué)等方法，對(duì)鎢銅復(fù)合材料的原料粉末進(jìn)行改性，得到超細(xì)納米粉，從而提高燒結(jié)體性能的方法。此外，還可以利用在鎢銅中添加活化劑，如鎳、鈷、銀等，提高材料綜合性能，但活化劑的加入對(duì)熱導(dǎo)和電導(dǎo)性有較大損害［6-8］。

1.5 放電等離子體燒結(jié)

放電等離子體燒結(jié)是一種先進(jìn)的高速燒結(jié)技術(shù)，融合了壓力燒結(jié)、低壓直流脈沖輔助燒結(jié)等多種燒結(jié)技術(shù)，繼承了多種燒結(jié)方法的優(yōu)點(diǎn)；與熱壓燒結(jié)類似，放電等離子體燒結(jié)在燒結(jié)過程中同時(shí)進(jìn)行加壓和升溫，兩者產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)合金的致密化。不僅壓力效應(yīng)和熱效應(yīng)可以促進(jìn)燒結(jié)過程，另外，直流脈沖電流作用下產(chǎn)生的顆粒間放電能激發(fā)等離子體，產(chǎn)生的等離子體可以凈化金屬顆粒表面，提高燒結(jié)活性，加速燒結(jié)過程中原子間的擴(kuò)散；另外，顆粒間放電使粉體顆粒產(chǎn)生自發(fā)熱［9］，實(shí)現(xiàn)高速升溫，并且還會(huì)產(chǎn)生另外一些譬如促進(jìn)晶粒體擴(kuò)散、晶界擴(kuò)散的現(xiàn)象，加速了燒結(jié)致密化過程，因此可以在比較低的溫度和比較短的時(shí)間得到高質(zhì)量的燒結(jié)體［10］。相比其他燒結(jié)方式，放電等離子體燒結(jié)具有升溫速度快，降溫速度快，燒結(jié)溫度低，操作方便等特點(diǎn)［11］。

2 性能改進(jìn)

隨著研發(fā)的深入，要得到性能更高，致密度更大的鎢銅復(fù)合材料，主要是要克服鎢和銅的互不溶性，結(jié)合鎢銅復(fù)合材料產(chǎn)品的特性對(duì)其進(jìn)行致密性壓力加工，以滿足使用要求，提高致密性和綜合性能。

2.1 鎢銅超細(xì)原粉制備

隨著納米材料的研究深入，材料粒度越小，表面活性越大，粉體燒結(jié)性能也就越好。鑒于鎢銅復(fù)合材料的假合金特性，將原料粉末超細(xì)化、納米化，是獲得致密度更高、性能更高的重要途徑。目前，超細(xì)鎢銅復(fù)合原粉的制備方法主要包括機(jī)械合金化、溶膠-凝膠法、噴霧干燥法、氧化物共還原法、機(jī)械-熱化學(xué)合成法以及沉淀法等。

機(jī)械合金化將鎢和銅原料粉末放入高性能球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，通過時(shí)間、轉(zhuǎn)速等控制，從而獲得細(xì)化的原料粉；溶膠-凝膠法制備的鎢銅復(fù)合粉末粒度均勻、純度高、表面活性較大，易于制備成型；噴霧干燥法只能獲得鎢和銅氧化物粉末，利用還原法獲得超細(xì)鎢銅復(fù)合粉末；鎢和銅氧化物比單質(zhì)金屬易于混合分布，將充分彌散分布的鎢和銅的氧化物進(jìn)行還原，從而獲得超細(xì)均勻的鎢銅復(fù)合粉；機(jī)械-熱化學(xué)合成法是利用鎢和銅氧化物粉末進(jìn)行機(jī)械合金化球磨制備粉末，再利用還原法得到復(fù)合粉體；沉淀法是利用液相先析出沉淀，再經(jīng)煅燒、還原等工藝條件，最終得到鎢銅復(fù)合粉體。在實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用中，往往會(huì)結(jié)合多種方式，獲得超細(xì)鎢銅復(fù)合原粉，以滿足使用和生產(chǎn)的需要。

2.2 鎢銅復(fù)合材料的壓力致密工藝

為進(jìn)一步提高鎢銅復(fù)合材料成形產(chǎn)品的致密性，改善和提高其使用性能，根據(jù)產(chǎn)品品種、外形等特性，對(duì)其進(jìn)行壓力致密性加工，目前主要的壓力加工方法有：熱等靜壓、靜液擠壓、熱鍛等方法?？梢韵u銅復(fù)合材料中的空隙、縮孔等缺陷，此過程充分利用銅的延展性，提高材料的性能，但該方法設(shè)備成本高、效率低；靜液擠壓是利用流體介質(zhì)將力傳到材料上，更加有利于變形的均勻性，該方法可以大大提高鎢銅復(fù)合材料的致密度、強(qiáng)度、導(dǎo)電性等；熱鍛、熱軋等常用變形工藝也對(duì)鎢銅復(fù)合材料的性能有所改善。

3 應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 電氣工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

到目前為止，金和銀是電接觸材料的最佳候選材料［12］。然而，金銀的高成本使其應(yīng)用受到了極大的限制［13］。最近的實(shí)驗(yàn)和理論研究表明，由于鎢銅復(fù)合材料復(fù)合材料的接觸電阻低且穩(wěn)定、可加工性強(qiáng)、電阻高、可中斷性高以及耐壓強(qiáng)度高，其有望成為電觸頭材料的理想選擇，例如電氣開關(guān)，接觸器，斷路器，調(diào)壓器，電弧尖端，開關(guān)裝置和繼電器。近年來，在真空條件下使用的鎢銅復(fù)合材料電觸頭必須滿足一些特殊的、更高的要求，如觸頭材料中的氣體含量低，這將拓寬鎢銅的應(yīng)用領(lǐng)域，也將促進(jìn)鎢銅復(fù)合材料制備技術(shù)的發(fā)展。

3.2 電子工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

電子封裝的主要功能是向芯片提供電源和信號(hào)輸入輸出，其主要的技術(shù)性能指標(biāo)包括優(yōu)異的導(dǎo)電性、良好的導(dǎo)熱性、化學(xué)惰性、高硬度以及適當(dāng)?shù)臒崤蛎浀取ｋS著微電子學(xué)的飛速發(fā)展，常規(guī)的封裝材料已無法滿足上述要求。例如，當(dāng)需要高導(dǎo)熱率的材料時(shí)，通常使用銅（393 W/m·K）和鋁（238 W/m·K）之類的金屬，但是，這些金屬通常具有較高的熱膨脹系數(shù)值，并且當(dāng)相鄰組件的熱膨脹系數(shù)較低時(shí)將無法滿足要求。滿足這些要求的一種方法是創(chuàng)建具有專門針對(duì)電子包裝量身定制的特性的新型復(fù)合材料。特別是在低熱膨脹系數(shù)和高熱系數(shù)的情況下，可以通過改變鎢和銅的成分來改變熱膨脹系數(shù)和高熱系數(shù)。此外，熱膨脹系數(shù)與普通的半導(dǎo)體材料相似，因此可確保整個(gè)封裝的使用壽命長(zhǎng)。因此，鎢銅復(fù)合材料有望廣泛應(yīng)用于電子封裝材料。

3.3 軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

鎢銅復(fù)合材料由于其優(yōu)異的性能而成為有前途的軍事材料。關(guān)于作為固體燃料火箭的推力矢量射流葉片、喉管襯里、裝甲材料和噴嘴喉管的鎢銅復(fù)合材料已有報(bào)道［14-17］。主要原因是由于在高溫環(huán)境下使用鎢銅復(fù)合材料時(shí)熔點(diǎn)低，沸點(diǎn)高，鎢銅復(fù)合材料中的銅成分汽化并去除大量熱量，導(dǎo)致鎢銅成分表面溫度明顯降低［18］。近年來鎢銅合金復(fù)合材料在軍事領(lǐng)域的一些新的用途也在不斷地迅速發(fā)展，比如破甲彈的藥型罩主要利用鎢銅合金復(fù)合材料的高密度、高強(qiáng)度和高動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，可以大大提高破甲彈的破甲威力［19］。由于鎢的高密度以及其在高溫條件下強(qiáng)度的降低，限制了鎢銅復(fù)合材料在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，隨著高性能鎢銅復(fù)合材料制備技術(shù)，理論研究和應(yīng)用研究的發(fā)展，相信在軍事領(lǐng)域?qū)⒂懈鼜V闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

本文對(duì)鎢銅復(fù)合材料的制備、改性和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了描述，鎢銅復(fù)合材料由于其卓越的性能被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。目前，在鎢銅復(fù)合材料的制備過程中，鎢和銅的互溶性差與潤(rùn)濕性低等對(duì)鎢銅復(fù)合材料的密度、微觀結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸、硬度和強(qiáng)度產(chǎn)生著重要影響。盡管近年來研究者們開發(fā)了一些新穎的技術(shù)來制備高密度和結(jié)構(gòu)精細(xì)的鎢銅復(fù)合材料，但未來仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。首先，盡管這些新技術(shù)顯著地提高了鎢銅復(fù)合材料的性能，但是由于昂貴的設(shè)備和復(fù)雜的工藝，工業(yè)生產(chǎn)受到了限制，因此必須開發(fā)一種高效、廉價(jià)和應(yīng)用廣泛的制備技術(shù)。其次，基于鎢銅復(fù)合材料理論的研究很少，現(xiàn)有文獻(xiàn)主要集中在如何獲得高性能的鎢銅復(fù)合材料上，這可能會(huì)導(dǎo)致理論與工業(yè)生產(chǎn)脫節(jié)。未來，研究者仍需不斷地探索新的制備鎢銅復(fù)合材料的方法，電子行業(yè)和其他高尖端技術(shù)領(lǐng)域的快速、迅猛發(fā)展將使鎢銅復(fù)合材料未來的應(yīng)用范圍愈加廣泛。

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