銅/鋁復(fù)合材料研究與應(yīng)用進展

金屬基復(fù)合材料具有高比強度、比模量、導熱性和導電性等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代中。銅/鋁層狀復(fù)合材料是應(yīng)用比較廣泛的金屬基復(fù)合材料之一，它兼具了各個金屬的獨特性能，如銅有高導電、導熱率且具有可焊性等性能，鋁有質(zhì)輕、耐腐蝕等特點，進而使得銅/鋁雙金屬復(fù)合材料兼具二者性能

。采用銅鋁復(fù)合板作為導電板不僅能提高電能利用率，而且還能降低成本，提高產(chǎn)品使用壽命

。本文將從銅/鋁復(fù)合材料的加工制備方法、界面相的擴散行為、金屬間化合物種類和目前的應(yīng)用領(lǐng)域等幾個方面進行分析，對其應(yīng)用前景進行了展望。

優(yōu)化幼兒園一日活動科學保教實踐需要充分認識到保教活動的重要價值，了解其對幼兒成長的重要作用，從而合理設(shè)計幼兒園一日活動。具體來講，可以從以下幾個方面加以思考。

1 銅/鋁復(fù)合材料制備工藝

1.1 固-固復(fù)合法

固-固復(fù)合工藝是生產(chǎn)效率高的一種，對于橫截面尺寸較大的復(fù)合材料也較適用，但對設(shè)備要求較高。固-固復(fù)合法中冷軋是比較常見的制備工藝，這一過程中會發(fā)生：物理接觸的形成階段、接觸表面的激活階段、金屬間相互作用階段

。在軋制壓力作用下，由于金屬表面如Al活潑金屬會形成氧化膜，并且Al質(zhì)地軟使得金屬材料表面塑性變形或氧化膜破裂，產(chǎn)生裂紋，在裂紋處新鮮金屬接觸面接觸從而擴展，因此，在二者共同作用下初步得到銅/鋁復(fù)合材料，其過程如圖1所示。但由于采取固-固復(fù)合法制備銅/鋁復(fù)合材料，會導致界面間存在較大加工硬化，需采取熱處理退火

。

1.1.1 爆炸焊接法

爆炸焊接法是一種快速成型方法。從引爆位置開始，兩板相互碰撞，產(chǎn)生摩擦，造成塑性變形，形成的金屬射流沖擊破壞掉金屬表面的氧化膜等，進而純金屬表面便裸露出來

。但爆炸焊接復(fù)合板會存在邊界效應(yīng)，根據(jù)等面積爆炸和不等面積爆炸兩種形式，其分別可采取增加布藥寬度和開槽的方法來解決這個問題

。

試驗以P6為測試壓頭，分別在10，20，30mm/min速率下對果實進行壓縮。果實在不同速率下的壓縮曲線，都會出現(xiàn)明顯的屈服極限點，壓縮達到破壞極限時試樣迅速破裂。不同壓縮速度力——變形曲線如圖3所示。從圖3中可以看到各個壓縮曲線的斜率相差不大，壓縮速率越大其破裂極限越大。壓縮速率為30mm/min時，變形量最大。

采用軋制法制備的銅/鋁復(fù)合材料，由于銅/鋁復(fù)合材料具有良好的無氧界面，界面金屬間化合物一般為CuAl

。采用爆炸焊接法時，組織形貌呈漩渦狀，其界面組織包括界面兩側(cè)的變形組織、鑄造組織（CuAl

、CuAl）和直接焊接的界面組織三部分，組織包括：α相、θ相和η

相

。采用固-液澆注法制備銅/鋁復(fù)合材料時，其界面相主要以金屬間化合物CuAl

為主，并且銅鋁的含量會影響形成金屬間化合物的含量，進而對擴散層厚度有影響

。水平連鑄法用于銅/鋁復(fù)合板制造時，從銅側(cè)到鋁側(cè)會形成Cu

Al

、CuAl

化合物，且從銅側(cè)到鋁側(cè)依次生成γ相、θ相和α+θ相

。因此，可根據(jù)不同的使用性能，采用不同的成型方法制備銅/鋁復(fù)合材料。

軋制復(fù)合法也是制備銅/鋁復(fù)合材料常用方法。其基本原理是，在外力作用下，通過金屬界面原子擴散、結(jié)合，從而得到復(fù)合材料

。軋制過程中，金屬板發(fā)生塑性變形，氧化膜破裂，裸露的純金屬通過后續(xù)的加熱提高原子動能加速其擴散，最后達到界面強化和穩(wěn)固的效果。軋制復(fù)合法可分為熱軋復(fù)合、冷軋復(fù)合和異步軋制復(fù)合。軋制法工藝較成熟，設(shè)備相較便宜，適合工業(yè)化生產(chǎn)

。但軋制工藝針對不同使用性能，需要進行調(diào)整。如，隨著壓下率增加，銅/鋁塑性變形逐漸增加，界面破壞程度加大，界面碎塊細化，從而影響界面結(jié)合強度

。

1.2 固-液復(fù)合法

固-液復(fù)合技術(shù)是澆注金屬熔液與固體金屬界面通過熱作用而結(jié)合。常見的固液復(fù)合法包括充芯連鑄法和雙結(jié)晶器連鑄法

。充芯連鑄法是指在特定的拉速或溫度下，讓金屬液從芯部流出與外部金屬件接觸而復(fù)合

。雙結(jié)晶器連鑄法其原理是讓芯部金屬液在結(jié)晶器中冷凝成型，通過控制芯材結(jié)晶器的冷卻強度可使包覆層結(jié)晶器中的包覆層金屬液與之前冷凝成型的芯材進行復(fù)合

。

1.3 液-液復(fù)合法

2.2.2 對性能的影響

2 銅/鋁復(fù)合材料的界面相及性能

2.1 制備方式對組織的影響

1.1.2 軋制法

2.2 熱處理對組織和性能的影響

由于銅/鋁過渡層薄且其導熱系數(shù)高，當芯片產(chǎn)生熱量時，可將其導出，并降低封裝總熱阻，可應(yīng)用于大功率LED封裝，而目前MCOB技術(shù)是主流大功率LED封裝技術(shù)。利用銅/鋁復(fù)合材料的集熱效率高和耐腐蝕等優(yōu)點，可將其用于太陽能熱水器的集熱元件,不僅提高熱效率還可提高經(jīng)濟效益

。

雙金屬復(fù)合材料由于是兩種不同材料通過界面擴散等方式進行連接，界面結(jié)合處勢必會產(chǎn)生空位、應(yīng)力和夾雜等缺陷，因此，成型后的熱處理是去除缺陷的重要手段之一。如采用固-固成型工藝，則復(fù)合材料存在殘余應(yīng)力，需要采用退火消除應(yīng)力。Li

研究了冷軋薄板在不同溫度和時間下的退火組織，結(jié)果表明，在300℃～450℃區(qū)間內(nèi)，隨著退火溫度和時間的增加，其界面擴散層厚度增加。對于退火溫度和時間兩因素對擴散層生長而言，退火溫度的影響更為大

。界面層厚度隨熱處理溫度有所變化，并且金屬間化合物由CuAl、Al

Cu

、CuAl

到 CuAl、AlCu

、AlCu

、CuAl

四種中間相。并且，從銅側(cè)或鋁側(cè)，相的組成也有所變化

。

目前銅/鋁復(fù)合材料的制備多采用固-固法和固-液法，因為其發(fā)展早，工藝種類多，工藝方法較為成熟。液-液復(fù)合法制備銅/鋁復(fù)合材料較為新穎的工藝是充芯連鑄法

。銅/鋁液-液充芯連鑄復(fù)合中，需要在一定的拉速、溫度、外界環(huán)境因素和冷卻條件下，外殼層由銅液凝固成，對于芯部，則需要鋁液流經(jīng)到銅管中進而結(jié)合

。液-液復(fù)合機制大致可分為界面層擴散、金屬間化合物形成和液態(tài)擴散層的相變?nèi)齻€階段

。

由于銅鋁復(fù)合材料優(yōu)異的物理性能和力學性能，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。

3.1.1 熱交換領(lǐng)域

由五組不同球面鏡反射率畫出的光強腔長曲線可知，當球面鏡反射率R1較小時，曲線趨于平坦，變化幅度較小，不能看到明顯的波形，不適用于檢測系統(tǒng)；當反射率過高時，曲線趨于平頂，雖然在一定范圍內(nèi)有較高的斜率，但范圍較小，使得檢測系統(tǒng)的工作范圍太小，也不適用于檢測系統(tǒng).因而，選用反射率R1=0.5的球面鏡最為合適.

3 銅/鋁復(fù)合材料的應(yīng)用及前景

3.1 銅/鋁復(fù)合材料的應(yīng)用

銅/鋁復(fù)合材料不同的熱處理工藝，影響著其使用性能。銅/鋁界面結(jié)合強度隨著熱處理溫度升高逐漸減小，其原因產(chǎn)生的金屬間化合物，增加了脆性，降低了結(jié)合強度

。對導電性能，在一定載荷下，流經(jīng)材料的電流增大，總體阻抗減小。并且，在電壓一定下，復(fù)合板中心電流密度隨電流頻率增大而減小、復(fù)合板阻抗值增大

。在530℃～580℃溫度范圍內(nèi)

，銅鋁復(fù)合界面可能生成了不同的化合物如CuAl等使導熱性能有所下降。因此不同方式處理后的組織，對銅鋁復(fù)合材料的熱性能也會有一定影響。通過對高純鋁箔的不同溫度熱處理

，發(fā)現(xiàn)隨退火溫度升高，合金中的元素如Cu、Al等的析出量增多，造成腐蝕點位增加，并且在晶界處也會析出碳化物造成晶間腐蝕，加重了腐蝕影響。

體質(zhì)是在遺傳性和獲得性的基礎(chǔ)上表現(xiàn)的人體形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理功能和心理因素的綜合的、相對穩(wěn)定的特征[1]。中小學時期是學生生長發(fā)育的高峰期，也是體質(zhì)逐步強壯的關(guān)鍵階段[2]。隨著學生年齡的增長、體育鍛煉及生活方式等的影響，體質(zhì)也在不斷的發(fā)生相應(yīng)的變化。為了解傈僳族7～18歲中小學生的體質(zhì)健康發(fā)展動態(tài)，本研究以云南省2010年和2014年學生體質(zhì)與健康調(diào)研的原始數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對傈僳族7～18歲中小學生的體質(zhì)健康指標進行比較分析，以揭示2010—2014年來傈僳族中小學生體質(zhì)健康狀況的變化特點，為改進民族地區(qū)學校體育衛(wèi)生及提高傈僳族中小學生的體質(zhì)健康水平提供科學的依據(jù)。

2.2.1 熱處理對組織的影響

3.1.2 電力領(lǐng)域

2005年Y.Du等[8]總結(jié)了60多種油田示蹤劑的使用情況，統(tǒng)計結(jié)果顯示，20世紀國外使用最多的是硝酸鹽、碘化鉀等化學示蹤劑和18O等穩(wěn)定性同位素示蹤劑。

銅可作為為屏蔽編織線的主要材料，銅芯外層包覆鋁后，可起到防電磁干擾作用，用于大型信號電纜及通訊管線

。并且，由于導體存在“集膚效應(yīng)”，使得材料表面電流密度大，內(nèi)部電流密度小，可提升其傳導效能，提高安全性和穩(wěn)定性

。采用銅包鋁作為復(fù)合線材可提高材料力學性能，降低交流輸電電阻。由于傳統(tǒng)采用銅作為線材，而采用銅包鋁復(fù)合線材，可減輕線材質(zhì)量

。

2008年9月15日，美國知名投行雷曼兄弟公司申請破產(chǎn)，這標志著次貸危機正式演化為全面的金融危機，始于美國的這場金融海嘯最終波及全球。

3.1.3 制冷工業(yè)

由于銅比鋁的承載能力好，鋁質(zhì)地輕但耐蝕性好，結(jié)合二者諸多優(yōu)良的性能可作為空調(diào)的壓縮機、冷凝器等部位材料，既是對傳熱效率的保證，也是降低成本、提高使用壽命的應(yīng)用。將銅鋁復(fù)合材料作為空調(diào)的復(fù)合連接管，不僅對制熱制冷效率影響較小微乎其微，而且還能從經(jīng)濟方面降低成本減輕重量節(jié)約材料

。

3.2 銅/鋁復(fù)合材料的前景

銅/鋁復(fù)合材料作為一種發(fā)展和應(yīng)用前景都十分廣闊的材料，從性能和效益來看是未來的發(fā)展方向。采取不同的制備工藝，如固-固、固-液和液-液法還有熱處理等會對復(fù)合材料界面組織造成影響，對材料的力學、導熱等性能會有影響。通過對生成化合物的控制來改變復(fù)合材料性能是未來銅鋁復(fù)合材料研究發(fā)展的方向之一。從自身性能來說，利用鋁的質(zhì)輕耐蝕性，銅的高導電導熱性，經(jīng)過合適的制備工藝得到的不同性能復(fù)合材料可以廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。如汽車發(fā)動機的氣缸、變速箱等，發(fā)揮其耐蝕導熱性；利用二者較好導電性可應(yīng)用于電力設(shè)備和電纜，提高電能利用率以及對安全性的提高。既保證了性能最大化發(fā)揮的同時，又可降低成本。故根據(jù)實際需求最大程度的發(fā)揮復(fù)合材料的性能的同時，又從經(jīng)濟角度考慮成本，這是未來銅鋁復(fù)合材料發(fā)展的方向。

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