淺析彌散強化銅的電極產(chǎn)業(yè)化前景論文
彌散強化銅基復合材料，是通過(guò)在銅基體中加入氧化物顆粒作為增強相，并均勻彌散的分布在銅基體中，既保持了材料的導電性，又達到了提高銅基復合材料的力學(xué)性能及高溫抗軟化能力的目的。銅- 氧化鋁復合材料不僅室溫強度高、導電和導熱性能優(yōu)良，而且具有良好的耐磨性及高溫穩定性，是一種有著(zhù)廣闊前景的復合材料。目前，應用最廣的氧化物彌散相是Al2O3。Al2O3 彌散強化銅基復合材料不僅具有高的導電、導熱性能，而且具有優(yōu)越的高溫性能和抗蝕性能，在電阻焊電極行業(yè)有著(zhù)極大的優(yōu)勢和廣闊的前景，是現代電子信息、能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵材料，已成為當前材料行業(yè)研究的熱點(diǎn)。
彌散強化機制主要有位錯繞過(guò)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(xiàn)的運動(dòng)，位錯線(xiàn)需要較大的應力才能克服阻礙而向前移動(dòng)，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(shí)，材料隨著(zhù)溫度升高而出現再結晶或者沉淀重溶的現象，強化機制賴(lài)以生存的微觀(guān)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(wú)法滿(mǎn)足使用要求。與之相比彌散強化的優(yōu)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(diǎn)高、熱力學(xué)穩定性良好等優(yōu)點(diǎn)，作為第二增強相，在接近于銅基體熔點(diǎn)的條件下也不會(huì )溶解或粗化，既保持了合金的導電性能，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、均勻彌散分布于銅基體中的氧化鋁顆粒，由于在高溫下仍然具有優(yōu)良的尺寸和化學(xué)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 彌散強化銅復合材料在高溫下仍能保持大部分硬度。而且由于A(yíng)l2O3 顆粒在銅基體中體積分數小，而且呈細小彌散分布狀態(tài)，保持了銅基體高導電高導熱性能，使材料在接近銅熔點(diǎn)的溫度下也能工作。
在電阻焊電極材料行業(yè)，現大量使用的電極材料鉻鋯銅( Cu - Cr -Zr 系列) ，由于軟化溫度較低，大約在500℃左右，電極損耗嚴重導致焊接成本大幅提高，由于頻繁地更換，也嚴重影響了焊接設備的效率。而彌散強化銅合金制成的點(diǎn)焊電極具有壽命長(cháng)( 普通鉻鋯銅的4 ～ 10倍) 、抗軟化、不粘附的特性，顯示出超強的焊接性能優(yōu)勢。在焊接的過(guò)程中彌散強化銅基復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(huán)境下有非常好的使用效果。在汽車(chē)行業(yè)，焊接鍍鋅的鋼板時(shí)，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(guò)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(zhù)機械制造業(yè)尤其是汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展，對氧化鋁彌散強化銅合金的需求量正在日益增加，將會(huì )產(chǎn)生良好的社會(huì )效益和經(jīng)濟效益。
當前Al2O3 銅基復合材料產(chǎn)業(yè)化面臨的主要問(wèn)題:
1 Al2O3 銅基復合材料工藝問(wèn)題
傳統的彌散銅的制造技術(shù)多采用粉末冶金法，最開(kāi)始以外加Al2O3 顆�；旌暇鶆�，壓制成型后進(jìn)行燒結，制成燒結體。粉末冶金法生產(chǎn)Al2O3 彌散強化銅工藝成熟，生產(chǎn)出的復合材料性能較好，但生產(chǎn)工藝復雜、成本高、生產(chǎn)效率低，同時(shí)復合材料界面易受污染。改進(jìn)后的制造工藝通過(guò)內氧化原位生成納米級Al2O3 顆粒，細小且在基體分布均勻，有較高的熱力學(xué)穩定性; 但是其高溫性能不佳，同時(shí)流程復雜，造成材料質(zhì)量控制困難，成本非常高，極大地限制了其推廣應用。球磨法通常是將納米或者微米級的Al2O3 粉與Cu 粉按比例放于球磨機中球磨，在球磨過(guò)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(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)單易操作，而且Al2O3 的含量可以在較大范圍內調控。其缺點(diǎn)在于氧化鋁顆粒在Cu 顆粒中的分布狀態(tài)不夠均勻，界面結合也不夠緊密，采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 復合材料產(chǎn)業(yè)化當前面臨的困難一是工藝復雜，二是成本過(guò)高，無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)的要求。今后的研究工作應向工藝簡(jiǎn)化，工藝參數控制，生產(chǎn)成本降低方向發(fā)展，從而實(shí)現Al2O3 彌散強化銅基復合材料。
2 Al2O3 銅基復合材料致密度問(wèn)題
Al2O3 彌散強化銅基復合材料的性能好壞，致密度是一個(gè)很重要的工藝參數。傳統的生產(chǎn)方法制備出的彌散強化銅基復合材料燒結坯普遍致密度不高，特別是斷面大時(shí)，無(wú)法進(jìn)一步實(shí)現大的變形比，一般只能達到97. 5%左右理論密度，制品內部會(huì )有一定量的孔隙存在，使得最終產(chǎn)品的.機械、物理性能不佳。因此，在燒結過(guò)程中提高致密度是Al2O3 彌散強化銅基復合材料研制過(guò)程中的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。
通過(guò)采用真空感應熱壓爐或低壓等靜壓燒結爐進(jìn)行燒結，最大限度的消除合金內部殘余孔隙和缺陷，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致密性。通過(guò)霧化制粉制得銅- 鋁合金粉末，將合金粉末在800 ～ 950℃的溫度下進(jìn)行內氧化，經(jīng)過(guò)還原之后得到銅- 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，壓塊并將預壓坯置于真空感應熱壓爐或低壓等靜壓燒結爐中進(jìn)行燒結并合金化，最終得到致密的彌散強化銅基復合材料。
3 Al2O3 銅基復合材料粉末均勻化問(wèn)題
Al2O3 彌散強化銅基復合材料的強度，取決于A(yíng)l2O3 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(shí)驗室內制得顆粒為10 - 30nm 的Al2O3 顆粒的彌散強化銅，而國外制作的Al2O3 顆粒平均已達到10nm 的水準。制得均勻的超細粉末是研制Al2O3 彌散強化銅基復合材料所面臨的工藝難點(diǎn)之一。
Al2O3 彌散強化銅的性能取決于A(yíng)l2O3 顆粒的尺寸、分布和間距。粒徑較細有利于合金強化，但同時(shí)導致導電性降低; 粒徑過(guò)大對于顆粒與基體界面引起的裂紋萌生和擴展無(wú)法有效阻止，導致合金韌性下降。經(jīng)研究，Al2O3 顆粒直徑一般在3 ～ 12nm 范圍內，顆粒問(wèn)距為30 ～100nm，Al2O3 的含量為0. 1 ～ 1. 5wt%時(shí)性能為最佳。采用高能球磨可以獲得比較均勻的復合粉末: 隨球磨時(shí)間延長(cháng)，粉末尺寸逐漸變細，但球磨到一定時(shí)間后復合粉末尺寸變化不大，以球磨24 小時(shí)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(huán)節需要完善。由于銅- 氧化鋁復合材料的制造過(guò)程是一種粉末冶金過(guò)程，致密度很難達到100%，因此工件表面存在許多微細孔。在熱加工加熱過(guò)程中，易造成表面晶界氧化，造成晶界強度低，在熱鍛過(guò)程中造成開(kāi)裂。由于熱鍛難題，目前基本局限在電阻焊材料領(lǐng)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致密度均偏低，可以考慮采用熱壓燒結法制備坯料，并且可在燒結后結合冷變形及熱處理，或進(jìn)行擠壓變形，進(jìn)一步提高材料的性能。另外可以結合高溫變形實(shí)驗對彌散銅電極的成型進(jìn)行數值模擬，為彌散銅電極材料的實(shí)際生產(chǎn)提供實(shí)驗依據和理論指導。
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