銅及銅合金機(jī)械性能良好，且工藝性能優(yōu)良，易于鑄造、塑性加工等，更重要銅及銅合金有良好耐蝕、導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能，所以它們能廣泛應(yīng)用于電子電氣、機(jī)械制造等工業(yè)領(lǐng)域。但是，銅室溫強(qiáng)度、高溫性能以及磨損性能等諸多方面不足限制了其更加廣泛應(yīng)用。而隨著現(xiàn)代航空航天、電子技術(shù)快速發(fā)展，對(duì)銅使用提出了更多更高要求，即在保證銅良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱等物理性能基礎(chǔ)上，要求銅具有高強(qiáng)度，尤其是良好高溫力學(xué)性能，并且要求材料有低熱膨脹系數(shù)和良好摩擦磨損性能。我國第一條高速鐵路京滬線總投資約200億美元，2008年已經(jīng)開工建設(shè)，接觸線年需求量近萬噸，顯然接觸線研發(fā)，即高強(qiáng)高導(dǎo)高耐磨銅合金功能材料研發(fā)有著很大國內(nèi)外市場(chǎng)。電阻焊電極，縫焊滾輪，集成電路引線框架也需要高強(qiáng)度高導(dǎo)電性銅合金，現(xiàn)有牌號(hào)銅及銅合金高強(qiáng)高導(dǎo)方面難以兼顧。所以通過引入適當(dāng)增強(qiáng)相復(fù)合強(qiáng)化方式，發(fā)揮基體和功能強(qiáng)化相協(xié)同作用，研發(fā)高性能銅(合金)基功能復(fù)合材料成為當(dāng)今世界熱門課題。
所謂高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金，一般指抗拉強(qiáng)度(Gb)為純銅2-10倍(350-2000MPa)，導(dǎo)電率一般為銅50％~95％，即50-95％IACS銅合金。國際上公認(rèn)理想指標(biāo)為δb=600-800MPa，導(dǎo)電性至≥80％IACSE。高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金主要應(yīng)用領(lǐng)域電子信息產(chǎn)業(yè)超大規(guī)模集成電路引線框架，國防軍工用電子對(duì)抗，雷達(dá)，大功率軍用微波管，高脈沖磁場(chǎng)導(dǎo)體，核裝備和運(yùn)載火箭，高速軌道交通用架空導(dǎo)線，300-1250Kw大功率調(diào)頻調(diào)速異步牽引電動(dòng)機(jī)導(dǎo)條與端環(huán)，汽車工業(yè)用電阻焊電極頭，冶金工業(yè)用連鑄機(jī)結(jié)晶器，電真空器件和電器工程用開關(guān)觸橋等，因此這類材料眾多高新技術(shù)領(lǐng)域有著廣闊應(yīng)用前景。
高性能銅基復(fù)合材料介紹-分類：
1、顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料
增強(qiáng)體主要為碳化硅和氧化鋁，亦有少量氧化鈦和硼化鈦等顆粒(粒徑一般為10μm左右)。晶須不僅本身力學(xué)性能優(yōu)越，而且有一定長徑比，因此比顆粒對(duì)金屬基體增強(qiáng)效果更顯著，晶須常用碳化硅和硼酸鋁晶須等。合金化工藝可以制備氧化物彌散強(qiáng)化和碳化物彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料。
2、纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料
銅或銅合金與非金屬或金屬纖維制造復(fù)合材料既保持了銅高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性，又具有高強(qiáng)度與耐高溫性能。制造此類銅基復(fù)合材料時(shí)，既有用長纖維，也有用短纖維。碳纖維-銅復(fù)合材料由于既具有銅良好導(dǎo)熱、導(dǎo)電性，又有碳纖維自潤滑、抗磨、低熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)，從而用于滑動(dòng)電觸頭材料、電刷、電力半導(dǎo)體支撐電極，集成電路散熱板等方面。銅-碳纖維復(fù)合材料工業(yè)生產(chǎn)中另一個(gè)應(yīng)用實(shí)例電車導(dǎo)電弓架上滑塊，滑塊電車及電氣機(jī)車上易損件，最早采用金屬滑塊，目前采用碳滑塊，但都有不足之處。采用碳纖維-銅復(fù)合材料后，使接觸電阻減小，避免過熱，同時(shí)提高強(qiáng)度及過載電流，并有優(yōu)良潤滑及耐磨性。
3、高性能顯微復(fù)合銅合金
高性能顯微復(fù)合銅合金材料本世紀(jì)70年代研究超導(dǎo)材料時(shí)發(fā)現(xiàn)。1978年美國Harvard大學(xué)Bark等人最早提出高性能Cu-X合金概念，Cu-X二元合金，X包括難熔金屬W、Mo、Nb、Ta和Cr、Fe、V等元素，Cu—X材料經(jīng)鍛造、拉拔或軋制后，X金屬沿變形方向以絲狀或帶狀分布，形成顯微復(fù)合材料，此顯微復(fù)合銅合金材料特點(diǎn)是超高強(qiáng)度(最高抗拉強(qiáng)度可達(dá)2000MPa以上)，電導(dǎo)率可達(dá)82％IACS，良好耐熱性及顯微復(fù)合組織和晶粒擇優(yōu)取向。此材料除了可以作點(diǎn)焊電極外，還可作推進(jìn)器和熱交換器，與傳統(tǒng)銅合金材料相比，它含有合金元素總量多，但合金元素種類少。Cu—X合金以其超高強(qiáng)度，高電導(dǎo)率以及良好耐熱性引起了人們重視。目前，美國Iowa大學(xué)，Harvard大學(xué)材料系，AMES實(shí)驗(yàn)室以及Michigan理工大學(xué)，還有國內(nèi)浙江大學(xué)在這方面作了大量研究工作，但仍有許多理論問題和實(shí)際應(yīng)用問題有待解決。
高強(qiáng)高導(dǎo)銅基復(fù)合材料介紹-制備方法：
1、粉末冶金法
粉末冶金法最早開發(fā)用于制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料工藝，一般包括混粉、壓實(shí)、除氣、燒結(jié)等過程。粉末冶金一種近凈成型工藝，材料利用率高，可以消除組織和成分偏析，而且顆粒增強(qiáng)相粒度和體積分?jǐn)?shù)可以較大范圍內(nèi)調(diào)整。該方法生產(chǎn)銅基復(fù)合材料中結(jié)構(gòu)件、摩擦材料、及高導(dǎo)電率材料主要手段。由于銅和大部分陶瓷增強(qiáng)顆粒浸潤性差，密度相差較大，采用液態(tài)法制備復(fù)合材料時(shí)容易產(chǎn)生增強(qiáng)物聚集，導(dǎo)致第二相分布不均勻。粉末冶金法可以按所需比例將金屬粉末和增強(qiáng)物混合均勻，解決了增強(qiáng)物分布問題。為了增強(qiáng)銅與增強(qiáng)顆粒界面結(jié)合強(qiáng)度，通常采用化學(xué)沉積等方法增強(qiáng)顆粒表面包覆Cu、Ni等金屬涂層，然后再與銅粉混合均勻，利用粉末冶金方法制得復(fù)合材料[11]。由于增強(qiáng)顆粒包覆金屬涂層后基體金屬中分布更加均勻，減少了增強(qiáng)物間直接接觸，更有利地發(fā)揮了其強(qiáng)化作用。同時(shí)，通過包覆不同金屬還可以改善界面結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)界面結(jié)合強(qiáng)度，提高復(fù)合材料綜合性能。
2、復(fù)合鑄造法
鑄造方法工業(yè)化大生產(chǎn)首選方法。但對(duì)于這種復(fù)合材料鑄造后，一般會(huì)有輔助形變工藝。形變強(qiáng)化效果會(huì)因?yàn)槔渥冃谓饘僭俳Y(jié)晶而失效。因大多數(shù)金屬再結(jié)晶溫度僅為其熔點(diǎn)溫度40％左右，所以用鑄造方法得到材料，其抗高溫性能相對(duì)差。復(fù)合鑄造工藝為美國麻省理工學(xué)院M．C．Flemings等所提出。這種方法較好解決了增強(qiáng)相偏析，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，適應(yīng)了復(fù)合材料大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)趨勢(shì)，有較大發(fā)展優(yōu)勢(shì)。但是復(fù)合鑄造由于熔體粘度大，不利于氣體和夾雜物排出，所以制備材料中常有氣孔和夾雜物存在；此外，這種方法溫度控制也比較困難。
3、內(nèi)氧化法
內(nèi)氧化法制備銅基復(fù)合材料最常用方法之一，可獲得均勻分布細(xì)小彌散顆粒并能夠精確控制強(qiáng)化相數(shù)量。該工藝典型應(yīng)用是制各Cu—A1203彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料，其工藝銅中添加少量固溶于銅，但比銅生成氧化物傾向大合金元素鋁，制成銅鋁合金粉末，從粉末表面向內(nèi)部擴(kuò)散氧，使合金霧化粉高溫及氧氣氣氛下發(fā)生內(nèi)氧化，鋁轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸X，然后氫氣氣氛下把氧化了銅還原出來，但氧化鋁不能還原，制成銅和氧化鋁混合粉末，最后一定壓力下燒結(jié)成形。用內(nèi)氧化法制造Cu-A1203成形固化技術(shù)上有些問題，極難進(jìn)行粉末燒結(jié)，且工藝復(fù)雜，成本高。內(nèi)氧化法不足之處工序繁雜，影響制備過程因素很多，材料質(zhì)量難以控制且生產(chǎn)成本高，因而極大地限制了該工藝應(yīng)用。。
4、液態(tài)金屬原位法
液態(tài)金屬原位反應(yīng)法近年來發(fā)展起來銅基復(fù)合材料新型制備技術(shù)之一。Lee等人首先成功制備了TiB2／Cu復(fù)合材料。該方法將兩種或多種合金液體充分?jǐn)嚢杌旌喜⑼ㄟ^化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生均勻彌散分布納米級(jí)增強(qiáng)物。用該法制得含5vo1％TiB2Cu基復(fù)合材料電導(dǎo)率達(dá)76％IACS。Chrysanthou等Cu-Ti溶液中分別加入碳黑、B203或同時(shí)加入W碳黑通過反應(yīng)生成細(xì)小且均勻布TiC、TiB2、WC顆粒原位增強(qiáng)銅基復(fù)合材料。由于該工藝制備復(fù)合材料中增強(qiáng)體沒有界面污染，與基體有良好界面相容性，因而比傳統(tǒng)復(fù)合材料具有更高導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度。
5、快速凝固法
快速凝固法由于凝固過程冷卻速快、起始形核過冷度大，生長速率高，結(jié)果使固、液界面偏離平衡，因而呈現(xiàn)出一系列與常規(guī)合金不同組織和結(jié)構(gòu)特征。采用快速凝固制備銅基復(fù)合材料有以下特點(diǎn)：
(1)合金元素銅中固溶度顯著增大；
(2)晶粒大大細(xì)化；
(3)化學(xué)成分顯微偏析明顯降低；
(4)晶體缺陷密度大大增加；
(5)形成了新亞穩(wěn)相結(jié)構(gòu)；
(6)經(jīng)時(shí)效處理后，銅基體中第二相含量提高，彌散程度增大。
導(dǎo)電率稍有降低情況下，合金強(qiáng)度得到了顯著提高，并改善了合金耐磨、耐腐蝕性能。快速凝固技術(shù)為制備高強(qiáng)高導(dǎo)銅基復(fù)合材料開發(fā)開辟了一個(gè)新領(lǐng)域。今后快速凝固制備高強(qiáng)高導(dǎo)銅基復(fù)合材料研究重點(diǎn)是：通過對(duì)凝固過程和時(shí)效過程分析來優(yōu)化材料成分、凝固動(dòng)力學(xué)參數(shù)和時(shí)效工藝，改善顯微組織結(jié)構(gòu)和性能。
6、機(jī)械合金化法
機(jī)械合金化利用高能球磨機(jī)，按一定比例混合金屬粉末或陶瓷粒子，反復(fù)研磨，使復(fù)合粉末經(jīng)過反復(fù)變形、冷焊、破碎、再焊合、再破碎反復(fù)過程，可使晶粒細(xì)化到納米級(jí)，并具有很大表面活性[17]。由于引入大量畸變?nèi)毕荩嗷U(kuò)散能力加強(qiáng)，激活能降低，使合金化過程不同于普通固態(tài)過程，因而有可能制備出常規(guī)條件下難以合成許多新型材料。機(jī)械合金化制備銅基復(fù)合材料不足之處在于球磨過程中容易帶入雜質(zhì)元素而降低材料性能特別是導(dǎo)電性能，同時(shí)由于球磨時(shí)間過長而導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下。
