銅及銅合金具有優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和延展性，但是較差的力學(xué)性能限制了其在工業(yè)領(lǐng)域中的進(jìn)一步應(yīng)用，而復(fù)合化被認(rèn)為是提升其綜合性能的有效途徑之一?？偨Y(jié)了顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料常見增強(qiáng)相的選擇依據(jù)，綜述了顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備方法、影響其性能的關(guān)鍵因素以及性能調(diào)控措施，最后結(jié)合制備方法中存在的問題對未來研究方向提出了一些新思路。
1、 增強(qiáng)相的選擇依據(jù)
大量研究表明，顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的性能受到制備工藝，組分材料性能，增強(qiáng)相顆粒的體積分?jǐn)?shù)、尺寸、種類，顆粒與基體的界面結(jié)合狀態(tài)以及加工工藝等諸多因素的影響。因此，選用合適的增強(qiáng)相尤為重要。通常，銅基復(fù)合材料增強(qiáng)相的選擇應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)：(1)增強(qiáng)相應(yīng)具有良好的高溫?zé)崃W(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性，且在銅基體中的擴(kuò)散程度低；(2)基體與增強(qiáng)相顆粒之間的界面結(jié)合情況決定了載荷傳遞效果，因此選用的增強(qiáng)相與基體之間的潤濕性和界面結(jié)合強(qiáng)度要高；(3)由于增強(qiáng)相與基體的熱膨脹系數(shù)不匹配容易引起材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和位錯(cuò)密度的變化,因此增強(qiáng)相與基體之間的熱膨脹系數(shù)差值應(yīng)較小；(4)增強(qiáng)相應(yīng)具有高模量、高硬度、高強(qiáng)度等特性，同時(shí)還要兼顧一定的導(dǎo)電性或低電阻率。銅基復(fù)合材料中常用的增強(qiáng)相有Al2O3、ZrO2、 SiC、Y2O3、TiB2、CrB2、WC等，其基本性能參數(shù)見表1。
表1 銅基復(fù)合材料中常用增強(qiáng)相的基本性能
2、 復(fù)合材料的制備工藝
20世紀(jì)40年代MEIJERING等和 RHINES等成功開發(fā)了顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，因其具有較高的強(qiáng)度、良好的導(dǎo)電性和高溫穩(wěn)定性而引起研究人員的廣泛關(guān)注。1973年美國研究人員采用內(nèi)氧化法成功制備出納米Al2O3顆粒彌散增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)?；陬w粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的強(qiáng)化作用機(jī)制，研究人員從降低增強(qiáng)相顆粒和基體晶粒尺度、提升增強(qiáng)相顆粒的分散性、改善增強(qiáng)相顆粒與基體之間的潤濕性等方面開發(fā)設(shè)計(jì)了諸多制備工藝，根據(jù)增強(qiáng)相顆粒加入基體的方式，可分為原位合成法和外加顆粒法兩大類。
2.1 原位合成法
原位合成法是將第二組元或第三組元元素加入到銅基體中，借助這些元素與氧、碳、硼或氮元素等進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而生成增強(qiáng)相顆粒的一種方法。目前，較為先進(jìn)的原位合成法包括內(nèi)氧化法、機(jī)械合金化法、噴射沉積法、液相原位反應(yīng)法和反應(yīng)熱壓法等，不同制備方法的工藝過程和特點(diǎn)見表2。
表2 原位合成法制備顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的工藝過程及特點(diǎn)
YAN等采用內(nèi)氧化法制備了Al2O3增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，并研究了高速壓實(shí)、熱壓和熱擠壓3種燒結(jié)工藝對復(fù)合材料組織及性能的影響，發(fā)現(xiàn)內(nèi)氧化前粉末形狀不規(guī)則，粒徑范圍分布廣，經(jīng)內(nèi)氧化處理后，小顆粒粉末消失；不同燒結(jié)工藝制備的復(fù)合材料相對密度都較高，其中使用熱擠壓工藝制備的復(fù)合材料相對密度高達(dá)100%，而使用高速壓實(shí)工藝制備的復(fù)合材料的相對密度最低，僅為98.4%，但顯微硬度和抗壓強(qiáng)度最高，分別為132HV和443MPa。由此可知，選擇合適的燒結(jié)工藝對通過內(nèi)氧化法獲得性能優(yōu)異的復(fù)合材料至關(guān)重要。
SALAHI等通過機(jī)械合金化法制備出了體積分?jǐn)?shù)20%Al2O3增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，在制備過程中將機(jī)械球磨所得的Cu-Al合金粉與一定量的CuO粉再次混合球磨后進(jìn)行燒結(jié)，利用Cu-Al合金粉與CuO粉末之間發(fā)生的氧化還原反應(yīng)，在基體內(nèi)形成了尺度相對較好調(diào)控的Al2O3顆粒，所獲得的復(fù)合材料中Al2O3顆粒粒徑在200nm以下。研究發(fā)現(xiàn)，采用機(jī)械合金化法制備TiB2增強(qiáng)銅基復(fù)合材料時(shí)，在球磨銅、鈦和硼粉的混合粉末過程中很難形成TiB2，僅形成TiCu4，TiB2是在隨后的熱壓過程中反應(yīng)生成的。不過，也有研究發(fā)現(xiàn)，在球磨Cu-4%Ti-2%B(質(zhì)量分?jǐn)?shù))混合粉5h后有TiB2形成，這可能是由于機(jī)械合金化和熱處理?xiàng)l件以及鈦和硼的含量不同所致。
ZHUO等用Cu-Y合金與工業(yè)氮?dú)?氧分壓為10-3~10-10Pa)作為反應(yīng)物，通過控制工業(yè)氮?dú)庵械难醴謮?，使第二組元溶質(zhì)原子釔在Cu-Y合金的液相線溫度附近與擴(kuò)散進(jìn)入合金熔體中的氧原子優(yōu)先發(fā)生原位反應(yīng)生成Y2O3顆粒，在新生成的Y2O3相顆粒周圍的局部區(qū)域因?yàn)獒惖南亩饾u形成純銅液；純銅的熔點(diǎn)比Cu-Y合金液相線溫度高，因此在Y2O3顆粒周圍局部區(qū)域形成了過冷區(qū)域，Y2O3顆粒作為形核劑加速合金液的不均勻形核；在過冷度與形核劑的共同作用下，合金液發(fā)生等溫凝固形成等軸晶；等溫凝固后，Y2O3顆粒的生長機(jī)制由液相擴(kuò)散轉(zhuǎn)變成固相擴(kuò)散，擴(kuò)散速率大幅度下降，顆粒的團(tuán)聚和粗化得到抑制，最終得到均勻分布的納米Y2O3顆粒彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料。
在采用噴射沉積法制備的銅基復(fù)合材料中，增強(qiáng)相顆粒分布均勻，并且增強(qiáng)相顆粒能有效阻礙晶粒長大。采用噴射沉積法制備的復(fù)合材料一般需要再經(jīng)過熱壓或者冷壓處理以實(shí)現(xiàn)致密，從而提高整體性能。HAN 等研究發(fā)現(xiàn)：在采用噴射沉積和放電等離子燒結(jié)制備Al2O3增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的過程中，當(dāng)噴霧氣體中氧體積分?jǐn)?shù)小于2%時(shí)，由于氧含量較低并與鋁接觸的概率較低，液滴凝固為沉積相的持續(xù)時(shí)間極短，粉末中不會(huì)形成Al2O3顆粒；當(dāng)氧體積分?jǐn)?shù)大于3%時(shí)，銅晶界處形成細(xì)長狀或圓形的Al2O3顆粒。
2.2 外加顆粒法
外加顆粒法是指在銅基體中加入強(qiáng)度和硬度高、物理和化學(xué)穩(wěn)定性好的第二相粒子來阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而使基體的強(qiáng)度得到大幅提升的一種復(fù)合材料制備方法。根據(jù)成型方式的不同，外加顆粒法可分為粉末冶金法、機(jī)械合金化和攪拌鑄造法。
粉末冶金工藝是指將基體粉末與增強(qiáng)相粉末進(jìn)行機(jī)械混合，再將混合粉末進(jìn)行預(yù)壓成型和燒結(jié)的一種工藝，該工藝是制備銅基復(fù)合材料中比較簡單的方法。隨著國內(nèi)外學(xué)者對粉末冶金工藝的深入研究，粉末冶金已克服工藝繁瑣、成本偏高等不足，逐漸向高性能化、高致密化、低成本化方向發(fā)展。其工藝流程主要包括以下幾步：(1)制備粉末冶金所需純金屬或合金粉末，可分為機(jī)械法和物理化學(xué)法，機(jī)械法即機(jī)械粉碎法，而物理化學(xué)法主要包括快速凝固法、電解法等；(2)將制備好的粉末按比例進(jìn)行充分混合；(3)通過特定的方法(模具冷壓成型或特殊成型)使混合均勻的粉末形成具有一定的形狀的坯塊；(4)坯塊燒結(jié)，其目的是將粉末顆粒進(jìn)行冶金連接；(5)通過二次加工獲得所需形狀和尺寸的復(fù)合材料，并通過致密化及加工硬化來強(qiáng)化復(fù)合材料的性能。BAHADOR等研究發(fā)現(xiàn)：在采用放電等離子粉末冶金方法制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%TiO2增強(qiáng)銅基復(fù)合材料時(shí)，燒結(jié)時(shí)間越長，復(fù)合材料中的TiO2顆粒分布越不均勻，且TiO2顆粒主要分布在晶界處；與純銅相比，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度提高，但斷后伸長率降低;但是,經(jīng)過熱擠壓工藝處理后，復(fù)合材料的晶粒細(xì)化，TiO2顆粒分布均勻，強(qiáng)度和延展性達(dá)到了良好平衡。
機(jī)械合金化法最初是由BENJAMIN等在研究彌散強(qiáng)化鎳基高溫合金時(shí)提出的，隨后在納米材料、非晶材料、復(fù)合材料中得到了廣泛應(yīng)用。機(jī)械合金化利用高能球磨機(jī)對不同的金屬粉末和增強(qiáng)粒子進(jìn)行長時(shí)間研磨，金屬粉末經(jīng)過反復(fù)變形、冷焊、破碎、再焊合、再破碎的過程而達(dá)到緊密結(jié)合狀態(tài)，同時(shí)使增強(qiáng)粒子均勻地嵌入到金屬顆粒中；在隨后的高溫?zé)Y(jié)過程中，納米增強(qiáng)相能有效抑制晶粒的長大，從而獲得超細(xì)晶復(fù)合材料。AGHAMIRI等將銅粉與Y2O3粉混合并添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%硬脂酸，在體積分?jǐn)?shù)5%H2+95%He混合氣氛中機(jī)械研磨48h后，成功制備了質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.42%Y2O3增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，該復(fù)合材料的晶粒尺寸可細(xì)化到28nm，且位錯(cuò)密度和硬度達(dá)到較高水平，分別為1.7×1015m-2和226HV。QIN等采用機(jī)械合金化+熱壓燒結(jié)法制備了SiC增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，研究了SiC粒徑對摩擦磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)：當(dāng)SiC粒徑小于2μm時(shí)，復(fù)合材料磨損表面出現(xiàn)的犁溝較淺，而當(dāng)SiC粒徑大于2μm時(shí)，表面發(fā)生嚴(yán)重磨損及剝落；在較低載荷(不大于120N)下，SiC粒徑對復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響較小，而在較高載荷(大于120N)下，磨損率隨SiC粒徑的增加而增大。
HUANG等采用兩步球磨法+兩步還原法制備了體積分?jǐn)?shù)10%Y2O3增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，具體制備工藝如下：將銅粉與Y2O3粉混合后進(jìn)行一次球磨，然后將研磨粉體放入管式爐中，以CO作為輕度還原氣氛在120℃保溫100min，然后進(jìn)行第二次球磨，之后在400℃以H2為還原氣氛等溫退火30min，最后進(jìn)行放電等離子燒結(jié)。該工藝不僅實(shí)現(xiàn)了超低溫環(huán)境下納米Y2O3顆粒在基體中的彌散分布，而且構(gòu)筑了微納米結(jié)構(gòu)特征的銅基體組織；因此該復(fù)合材料展現(xiàn)出了強(qiáng)度與塑性良好匹配的宏觀力學(xué)性能。兩步球磨法+兩步還原法借助第二步高能球磨工藝使納米Y2O3顆粒與納米銅粉顆粒之間相互機(jī)械咬合，避免了放電等離子燒結(jié)過程中銅顆粒的運(yùn)動(dòng)和燒結(jié)行為對Y2O3顆粒分散性的影響，從而保證了最終燒結(jié)態(tài)材料內(nèi)Y2O3顆粒的彌散分布；機(jī)械咬合于銅粉顆粒內(nèi)部的Y2O3顆粒也有效抑制了燒結(jié)過程中基體晶粒的長大，保證了具有微納結(jié)構(gòu)特征的基體組織的構(gòu)建；納米Y2O3顆粒彌散分布在銅粉顆粒內(nèi)部，使復(fù)合材料中可容納的增強(qiáng)相含量遠(yuǎn)大于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可容納的增強(qiáng)相臨界含量。因此，復(fù)合材料的硬度和強(qiáng)度均得到顯著提升，同時(shí)還保證了良好的室溫變形能力及相對優(yōu)良的導(dǎo)電性，并且在溫度低于700℃條件下仍能保持優(yōu)異的抗高溫軟化能力。
NEUMANN等和CHAWLA通過基本熱力學(xué)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)基體與增強(qiáng)相之間的潤濕角小于90°時(shí)，增強(qiáng)相才能順利加入到基體中。由于金屬銅與增強(qiáng)相之間的潤濕性差，且銅與增強(qiáng)相的密度差較大，增強(qiáng)相在加入的過程中容易上浮與聚集。為了克服上述困難,攪拌鑄造法應(yīng)運(yùn)而生。攪拌鑄造法將增強(qiáng)相直接加入到熔融的銅液中，通過機(jī)械攪拌或者超聲波、磁場等外場攪拌后澆鑄成型制備銅基復(fù)合材料。SINGH等研究發(fā)現(xiàn)，利用機(jī)械攪拌鑄造法制備的WC、TiC、石墨烯和石墨混雜增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料表現(xiàn)出了良好的力學(xué)性能。
3、 復(fù)合材料性能的影響因素及調(diào)控措施
3.1 力學(xué)性能的影響因素
如何獲得高強(qiáng)度-高導(dǎo)電的復(fù)合材料是當(dāng)前顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料研究的重要目標(biāo)。表3列舉了采用不同工藝制備的顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的力學(xué)性能參數(shù)。由表3可以看出，采用內(nèi)氧化法+熱擠壓+高壓扭轉(zhuǎn)工藝制備的Al2O3增強(qiáng)銅基復(fù)合材料表現(xiàn)出高抗拉強(qiáng)度和良好的延展性。在同類型增強(qiáng)相下，制備工藝對復(fù)合材料的力學(xué)性能影響較大，這說明合理的工藝設(shè)計(jì)對復(fù)合材料的性能至關(guān)重要。
表3 國內(nèi)外部分顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的力學(xué)性能
3.1.1 增強(qiáng)相和基體的界面結(jié)合狀態(tài)
顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的綜合性能不但與制備工藝有關(guān)，還與基體和增強(qiáng)相之間的界面結(jié)合狀態(tài)密切相關(guān)。目前，提高銅基復(fù)合材料強(qiáng)度的主要措施是引入大量缺陷來提高位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，但是這些缺陷的引入會(huì)額外增加自由電子的散射，導(dǎo)致電導(dǎo)率下降。兩相之間的界面作為應(yīng)力傳遞的橋梁，必須具有良好的潤濕性。良好的界面結(jié)合性可以起到減緩應(yīng)力集中、傳遞外加載荷、阻礙裂紋擴(kuò)展的作用。由于基體與增強(qiáng)相的熱膨脹系數(shù)相差較大，制備過程中易在界面區(qū)域產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，因此采取合適的制備方法來增強(qiáng)基體與增強(qiáng)相之間的界面結(jié)合性是改善復(fù)合材料綜合性能的有效手段。WANG等通過磁控濺射結(jié)合退火處理的方法成功制備了高抗拉強(qiáng)度、高電導(dǎo)率的碳米管(CNTs)/Al-Cu復(fù)合材料，鋁原子在碳納米管與銅原子之間形成了擴(kuò)散過渡層和化學(xué)反應(yīng)界面；擴(kuò)散過渡層主要通過增加碳納米管束之間的滑動(dòng)阻力來增加強(qiáng)度，界面結(jié)合主要以物理接觸為主；在化學(xué)反應(yīng)界面上，鋁原子分別與碳原子和銅原子形成了Al4C3和金屬間化合物,界面結(jié)合方式主要以化學(xué)鍵為主，其結(jié)合力高于物理接觸。
3.1.2 增強(qiáng)相的特征
增強(qiáng)相的含量、尺寸和分布等特征對顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的性能有重要的影響。研究表明，增強(qiáng)相含量的增多會(huì)使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增加，形成位錯(cuò)塞積，從而達(dá)到強(qiáng)化材料的目的。然而，加入增強(qiáng)相容易破壞基體的點(diǎn)陣完整性，使電子的定向運(yùn)輸因受到界面的散射而減弱，從而影響復(fù)合材料的導(dǎo)電性。因此，通過增加基體中增強(qiáng)相含量的方法很難兼顧復(fù)合材料的強(qiáng)度、塑韌性和導(dǎo)電性。研究發(fā)現(xiàn)，在采用內(nèi)氧化結(jié)合熱擠壓的方法制備的高體積分?jǐn)?shù)(2.7%)Al2O3增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的基體晶粒尺寸可達(dá)到超細(xì)晶尺度，且對銅基體強(qiáng)度的提升程度高于其他2種低體積分?jǐn)?shù)(0.23%，0.54%)Al2O3增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為521MPa和580MPa，斷后伸長率為13%，但在拉伸過程中材料進(jìn)入塑性變形階段后存在明顯的失穩(wěn)現(xiàn)象。BAGHERI等采用機(jī)械合金化+真空熱壓燒結(jié)工藝制備了不同含量TiC增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)TiC含量越高，復(fù)合材料的力學(xué)性能越好，但是TiC含量較高的復(fù)合材料中存在大量氣孔阻礙電子的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致電導(dǎo)率較低。當(dāng)銅基復(fù)合材料中的增強(qiáng)相顆粒含量一定時(shí)，顆粒尺寸越小，數(shù)量就越多，對基體中位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)的阻礙作用就越大，強(qiáng)化作用越明顯，但電導(dǎo)率越低。CELEBI等通過粉末冶金+氣氛燒結(jié)法制備了SiC增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的電導(dǎo)率隨SiC顆粒尺寸的增加而增大，這是因?yàn)殡S著SiC顆粒尺寸的增大，增強(qiáng)相顆粒的比表面積減少，電子被散射程度較低，電子遷移率增加，所以電導(dǎo)率增大。ZHANG等通過燃燒合成+熱壓工藝制備了具有不同尺寸和形態(tài)的納米尺度TiCx增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)立方體 TiCx顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料比球形TiCx顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料具有更高的強(qiáng)度和導(dǎo)電性。由于增強(qiáng)相顆粒與基體的性能存在差異，增強(qiáng)相顆粒難以在基體中均勻分布，因此提高增強(qiáng)相顆粒的彌散程度也是提高復(fù)合材料導(dǎo)電性的有效途徑。
3.2 強(qiáng)度和導(dǎo)電性協(xié)同匹配的調(diào)控措施
3.2.1 形變強(qiáng)化
形變強(qiáng)化是一種通過塑性變形提高材料強(qiáng)度和硬度的方法。由于冷加工產(chǎn)生的晶體缺陷對材料的導(dǎo)電性影響不大，而且在回復(fù)再結(jié)晶過程中可以部分或全部恢復(fù)，因此這種強(qiáng)化方式在提高強(qiáng)度的同時(shí)仍可保證材料具有很高的導(dǎo)電性。然而單一的形變強(qiáng)化對材料強(qiáng)度的提高幅度有限，因此常和其他強(qiáng)化方式共同使用。ZHUO等對體積分?jǐn)?shù)0.9%Y2O3增強(qiáng)銅基復(fù)合材料進(jìn)行冷加工變形后發(fā)現(xiàn)，隨著塑性變形量的增大，復(fù)合材料的電導(dǎo)率降低，但降低的趨勢平緩。這是因?yàn)樵诶浼庸ぷ冃芜^程中會(huì)形成位錯(cuò)、空位等晶體缺陷，導(dǎo)致電導(dǎo)率下降。
3.2.2 彌散強(qiáng)化與細(xì)晶強(qiáng)化
晶粒細(xì)化可使晶粒界面增多，因此可顯著提高材料的強(qiáng)度，但對電導(dǎo)率的影響不大。XIE等采用粉末高能球磨銑削+燒結(jié)+熱擠壓相結(jié)合的方法，制備了以Cu-Al合金為基體，體積分?jǐn)?shù)6.4%NbC納米顆粒為增強(qiáng)相的Cu-Al-NbC復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)：該復(fù)合材料表現(xiàn)出高強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度900MPa)和高導(dǎo)電性(導(dǎo)電率50%IACS)；后續(xù)進(jìn)行的退火處理(1000℃保溫5h)可使復(fù)合材料的導(dǎo)電率提高至57%IACS，同時(shí)保持722MPa的高抗拉強(qiáng)度；在擠壓過程中沿晶界分布的 NbC納米顆粒促使銅基體產(chǎn)生納米晶結(jié)構(gòu)，因此產(chǎn)生高強(qiáng)度的原因可歸結(jié)為銅基體中納米晶結(jié)構(gòu)引起的晶界強(qiáng)化和沿晶界分布的 NbC納米顆粒增強(qiáng)的共同作用，其中晶界強(qiáng)化占強(qiáng)度的1/2以上，NbC納米顆粒增強(qiáng)機(jī)制可能涉及Orowan強(qiáng)化或納米顆粒與銅基體彈性模量失配引起的位錯(cuò)強(qiáng)化。
3.2.3 構(gòu)型設(shè)計(jì)
近年來，研究人員通過異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)銅基復(fù)合材料強(qiáng)度與導(dǎo)電性之間的協(xié)同作用。CAO等采用原位催化生長的方法制備了納米層狀結(jié)構(gòu)石墨增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，該復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了378MPa，而且二維排列的石墨使復(fù)合材料保持了93.8%IACS的高導(dǎo)電率。在強(qiáng)化增韌方面，與超細(xì)晶粒鎳金屬相比,具有納米層狀結(jié)構(gòu)鎳金屬的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率分別增加了357MPa和4.4%。LIU等研究表明，冷軋Cu/Cu層狀復(fù)合材料具有較強(qiáng)的拉伸延展性(斷后伸長率大于單個(gè)冷軋銅片)，且保持較高的拉伸強(qiáng)度。因此，非均質(zhì)層狀微觀結(jié)構(gòu)在平衡銅基復(fù)合材料的強(qiáng)度、延展性和導(dǎo)電性方面具有突出的優(yōu)勢。
3.2.4 組織調(diào)控
LIU等在Cu-Ni-Si合金中加入納米 Al2O3顆粒，通過二級冷軋和時(shí)效處理制備了Cu-Ni-Si-Al2O3銅基復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)：晶粒沿軋制方向拉長，呈纖維狀結(jié)構(gòu)均勻分布，且纖維組織邊界處的晶粒明顯細(xì)化；復(fù)合材料的顯微硬度為184.4HV，屈服強(qiáng)度為573MPa，抗拉強(qiáng)度為607MPa，導(dǎo)電率為54.9%IACS，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度與導(dǎo)電性的良好匹配。
ZOU等通過原位技術(shù)制備了雙級顆粒強(qiáng)化的銅基復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)：鋯與硼在銅熔體中發(fā)生原位反應(yīng)生成微米級ZrB2顆粒，經(jīng)后續(xù)固溶處理和時(shí)效處理后，過量鋯與銅反應(yīng)生成納米級Cu5Zr相，避免了反應(yīng)不完全時(shí)殘余溶質(zhì)元素對材料導(dǎo)電性的損害；Cu5Zr相的平均尺寸為4.16nm，該相的析出顯著提升了材料的抗拉強(qiáng)度；經(jīng)軋制和時(shí)效后，Cu-0.3%Zr-2%ZrB2(質(zhì)量分?jǐn)?shù))復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度可達(dá)621MPa，導(dǎo)電率保持在78.4%IACS；原位自生的微米級ZrB2 顆粒平均尺寸為1.97μm，與銅基體有良好的界面結(jié)合性，可以顯著提高復(fù)合材料的耐磨性；與Cu-0.3%Zr(質(zhì)量分?jǐn)?shù))合金相比，在不同的載荷及滑動(dòng)速度下，Cu-0.3%Zr-2%ZrB2(質(zhì)量分?jǐn)?shù))復(fù)合材料的體積磨損率和摩擦因數(shù)均顯著下降。
4、 結(jié)束語
相較于國外，我國對顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的研究起步較晚，實(shí)現(xiàn)顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料強(qiáng)度與導(dǎo)電性之間的相互協(xié)調(diào)作用，是進(jìn)一步擴(kuò)大銅基復(fù)合材料在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用的關(guān)鍵。目前，顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的實(shí)際性能測試值低于其理論測定值，并且存在較大差異。這可能是因?yàn)樵鰪?qiáng)相顆粒與基體間的界面潤濕性能較差，熱膨脹系數(shù)相差較大，制備過程中易在界面區(qū)域產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致復(fù)合材料的強(qiáng)度下降；同時(shí)，由于界面處的反應(yīng)速率和反應(yīng)生成物難以控制，也會(huì)影響采用原位反應(yīng)制備的復(fù)合材料的強(qiáng)度與電導(dǎo)率。深入研究顆粒的形成機(jī)理、顆粒與基體的界面特征、顆粒的強(qiáng)化機(jī)制、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的關(guān)系，以及如何實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、高電導(dǎo)率、良好塑性和穩(wěn)定性成為制備高性能顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的難點(diǎn)。因此，顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料未來的發(fā)展方向主要包括：優(yōu)化制備工藝，降低生產(chǎn)成本;改善增強(qiáng)相與基體之間的界面結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)微觀結(jié)構(gòu)，在多尺度方向上調(diào)控增強(qiáng)相的分布狀態(tài)，有效挖掘顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的潛力，最終制備出綜合性能優(yōu)異的銅基復(fù)合材料并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量化生產(chǎn)。
引用本文：
郭新風(fēng)，賈磊，呂振林，等.顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].機(jī)械工程材料，2023，47（5）：109-117.
Guo X F, Jia L, Lv Z L, et al. Research Status and Development Trend of Particle Reinforced Copper Matrix Composites, 2023, 47（5）: 109-117.
DOI:10.11973/jxgccl202305016
京公網(wǎng)安備11010802046783號
