淺析彌散強化銅的電極產業化前景論文
淺析彌散強化銅的電極產業化前景論文
彌散強化銅基複合材料，是透過在銅基體中加入氧化物顆粒作為增強相，並均勻彌散的分佈在銅基體中，既保持了材料的導電性，又達到了提高銅基複合材料的力學效能及高溫抗軟化能力的目的。銅- 氧化鋁複合材料不僅室溫強度高、導電和導熱效能優良，而且具有良好的耐磨性及高溫穩定性，是一種有著廣闊前景的複合材料。目前，應用最廣的氧化物彌散相是Al2O3。Al2O3 彌散強化銅基複合材料不僅具有高的導電、導熱效能，而且具有優越的高溫效能和抗蝕效能，在電阻焊電極行業有著極大的優勢和廣闊的前景，是現代電子資訊、能源產業發展的關鍵材料，已成為當前材料行業研究的熱點。
彌散強化機制主要有位錯繞過機制和位錯切割機制。強化機理是: 在彌散強化材料中，彌散相阻礙位錯線的運動，位錯線需要較大的應力才能克服阻礙而向前移動，由此材料強度得以提高。對比其它幾種強化方式如固溶強化、形變強化等，當溫度升高時，材料隨著溫度升高而出現再結晶或者沉澱重溶的現象，強化機制賴以生存的微觀結構變得不穩定，強化作用逐漸失去，合金的高溫熱穩定性無法滿足使用要求。與之相比彌散強化的優勢在高溫下則表現得十分的突出，具有理想的高溫熱穩定性。
氧化物陶瓷具有強度高、熔點高、熱力學穩定性良好等優點，作為第二增強相，在接近於銅基體熔點的條件下也不會溶解或粗化，既保持了合金的導電效能，又有效地提高了合金的室溫和高溫強度，從而使材料具備良好的綜合性能。細小、均勻彌散分佈於銅基體中的氧化鋁顆粒，由於在高溫下仍然具有優良的尺寸和化學穩定性，具有很強的釘扎作用，從而阻止基體組織的粗化，所以Al2O3 彌散強化銅複合材料在高溫下仍能保持大部分硬度。而且由於Al2O3 顆粒在銅基體中體積分數小，而且呈細小彌散分佈狀態，保持了銅基體高導電高導熱效能，使材料在接近銅熔點的溫度下也能工作。
在電阻焊電極材料行業，現大量使用的電極材料鉻鋯銅( Cu - Cr -Zr 系列) ，由於軟化溫度較低，大約在500℃左右，電極損耗嚴重導致焊接成本大幅提高，由於頻繁地更換，也嚴重影響了焊接裝置的效率。而彌散強化銅合金製成的點焊電極具有壽命長( 普通鉻鋯銅的4 ～ 10倍) 、抗軟化、不粘附的特性，顯示出超強的焊接效能優勢。在焊接的過程中彌散強化銅基複合材料可以做到電流的快速傳導，焊區熱量能迅速消散，在高溫、高壓、高電流的工作環境下有非常好的使用效果。在汽車行業，焊接鍍鋅的鋼板時，在氧化鋁強化銅電極頂部工作面形成的氧化鋁保護層，能有效防止電極表面層在焊接低碳鋼板過程中與鋼板粘接，很大程度上減輕電極損耗，提高電極使用壽命。隨著機械製造業尤其是汽車工業的飛速發展，對氧化鋁彌散強化銅合金的需求量正在日益增加，將會產生良好的社會效益和經濟效益。
當前Al2O3 銅基複合材料產業化面臨的主要問題:
1 Al2O3 銅基複合材料工藝問題
傳統的彌散銅的製造技術多采用粉末冶金法，最開始以外加Al2O3 顆粒混合均勻，壓制成型後進行燒結，製成燒結體。粉末冶金法生產Al2O3 彌散強化銅工藝成熟，生產出的複合材料效能較好，但生產工藝複雜、成本高、生產效率低，同時複合材料介面易受汙染。改進後的製造工藝透過內氧化原位生成奈米級Al2O3 顆粒，細小且在基體分佈均勻，有較高的熱力學穩定性; 但是其高溫效能不佳，同時流程複雜，造成材料質量控制困難，成本非常高，極大地限制了其推廣應用。球磨法通常是將奈米或者微米級的Al2O3 粉與Cu 粉按比例放於球磨機中球磨，在球磨過程中Al2O3 顆粒嵌入Cu 顆粒中形成彌散強化銅合金粉。該方法的優點在於簡單易操作，而且Al2O3 的含量可以在較大範圍內調控。其缺點在於氧化鋁顆粒在Cu 顆粒中的分佈狀態不夠均勻，介面結合也不夠緊密，採用該方法制得的氧化鋁彌散強化銅的導電性及強度通常都較差。
綜其所述，Al2O3 複合材料產業化當前面臨的困難一是工藝複雜，二是成本過高，無法滿足市場的要求。今後的研究工作應向工藝簡化，工藝引數控制，生產成本降低方向發展，從而實現Al2O3 彌散強化銅基複合材料。
2 Al2O3 銅基複合材料緻密度問題
Al2O3 彌散強化銅基複合材料的效能好壞，緻密度是一個很重要的工藝引數。傳統的生產方法制備出的彌散強化銅基複合材料燒結坯普遍緻密度不高，特別是斷面大時，無法進一步實現大的變形比，一般只能達到97. 5%左右理論密度，製品內部會有一定量的孔隙存在，使得最終產品的.機械、物理效能不佳。因此，在燒結過程中提高緻密度是Al2O3 彌散強化銅基複合材料研製過程中的一個技術難點。
透過採用真空感應熱壓爐或低壓等靜壓燒結爐進行燒結，最大限度的消除合金內部殘餘孔隙和缺陷，可以使燒結坯基本達到理論密度。從而獲得高導電性、高抗軟化溫度以及高緻密性。透過霧化制粉製得銅- 鋁合金粉末，將合金粉末在800 ～ 950℃的溫度下進行內氧化，經過還原之後得到銅- 氧化鋁合金粉末，加入微量稀土金屬在混合機中混合均勻，得到混合均勻的粉末，壓塊並將預壓坯置於真空感應熱壓爐或低壓等靜壓燒結爐中進行燒結併合金化，最終得到緻密的彌散強化銅基複合材料。
3 Al2O3 銅基複合材料粉末均勻化問題
Al2O3 彌散強化銅基複合材料的強度，取決於Al2O3 的體積分數以及彌散的Al2O3 顆粒間距和大小。目前國內僅能在實驗室內製得顆粒為10 - 30nm 的Al2O3 顆粒的彌散強化銅，而國外製作的Al2O3 顆粒平均已達到10nm 的水準。製得均勻的超細粉末是研製Al2O3 彌散強化銅基複合材料所面臨的工藝難點之一。
Al2O3 彌散強化銅的效能取決於Al2O3 顆粒的尺寸、分佈和間距。粒徑較細有利於合金強化，但同時導致導電性降低; 粒徑過大對於顆粒與基體介面引起的裂紋萌生和擴充套件無法有效阻止，導致合金韌性下降。經研究，Al2O3 顆粒直徑一般在3 ～ 12nm 範圍內，顆粒問距為30 ～100nm，Al2O3 的含量為0. 1 ～ 1. 5wt%時效能為最佳。採用高能球磨可以獲得比較均勻的複合粉末: 隨球磨時間延長，粉末尺寸逐漸變細，但球磨到一定時間後複合粉末尺寸變化不大，以球磨24 小時為最佳。
本文僅僅是對Al2O3 彌散強化銅材料作了一些初步探討，其中仍有很多環節需要完善。由於銅- 氧化鋁複合材料的製造過程是一種粉末冶金過程，緻密度很難達到100%，因此工件表面存在許多微細孔。在熱加工加熱過程中，易造成表面晶界氧化，造成晶界強度低，在熱鍛過程中造成開裂。由於熱鍛難題，目前基本侷限在電阻焊材料領域及電子小型零件上，限制了該材料的應用。又如本文中提到的等靜壓. 燒結方法制備的材料緻密度均偏低，可以考慮採用熱壓燒結法制備坯料，並且可在燒結後結合冷變形及熱處理，或進行擠壓變形，進一步提高材料的效能。另外可以結合高溫變形實驗對彌散銅電極的成型進行數值模擬，為彌散銅電極材料的實際生產提供實驗依據和理論指導。