摘要: 鎢銅復(fù)合材料具有高導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、低膨脹系數(shù)、良好的高溫強(qiáng)度和抗電弧燒蝕性能，在電氣工程、機(jī)械加工及電子信息等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。介紹了鎢銅復(fù)合材料的傳統(tǒng)工藝及制備新技術(shù)，綜述了其在電器開關(guān)、電極、微電子及軍工等領(lǐng)域的應(yīng)用，并對其制備技術(shù)和應(yīng)用開發(fā)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞: 鎢銅復(fù)合材料; 制備技術(shù); 應(yīng)用開發(fā)

中圖分類號: TF125． 2+41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A 文章編號: 1673 － 4971( 2012)

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前言

鎢銅復(fù)合材料的研究與開發(fā)***早可追溯到上世紀(jì)三十年代，由于其良好的耐壓強(qiáng)度和耐電燒蝕性能，當(dāng)時在高壓電器開關(guān)等工業(yè)部門獲得了廣泛應(yīng)用。進(jìn)入六十年代，鎢銅復(fù)合材料逐漸在電阻焊電極、航空航天耐高溫零部件等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。此后，隨著制備技術(shù)的逐步提高和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，鎢銅復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)用逐漸走向成熟，并于九十年代，作為電子封裝和熱沉材料開始在大規(guī)模集成電路和大功率電子器件等領(lǐng)域獲得了廣泛關(guān)注。進(jìn)入二十一世紀(jì)，鎢銅復(fù)合材料更是作為破甲彈藥罩材料、導(dǎo)彈噴管材料及靶材等在軍事及高新技術(shù)領(lǐng)域獲得了應(yīng)用［1］。

鎢銅復(fù)合材料由高熔點(diǎn)、高密度及低膨脹系數(shù)的鎢和高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱的銅組成，兼具二者的優(yōu)越性能，廣泛應(yīng)用于電子、電器、機(jī)械及航空航天等工業(yè)部門［2 ～ 4］，在許多高新技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但鎢和銅熔點(diǎn)差距大且互不相溶，采用粉末冶金法制備的鎢銅復(fù)合材料致密度不高，通常導(dǎo)致材料的導(dǎo)電、導(dǎo)熱及力學(xué)性能不足，為了不斷滿足工業(yè)發(fā)展提出的新要求，鎢銅復(fù)合材料的制備技術(shù)和應(yīng)用開發(fā)經(jīng)歷了一系列復(fù)雜的發(fā)展歷程。

1.鎢銅復(fù)合材料的制備技術(shù)

1．1熔滲法

熔滲法是將鎢粉或者鎢粉與少量銅粉的混合物壓制成坯，通過一定溫度下的預(yù)燒制備成多孔鎢骨架，再將金屬銅熔化并利用毛細(xì)管力作用使其沿鎢顆粒間隙流動逐漸填充骨架，獲得鎢銅復(fù)合材料［5］。由于鎢骨架的孔隙連通性及大小一致性難以控制，致使熔滲后銅相的分布均勻性難以保證，而且熔滲后的富銅表皮須進(jìn)行后序加工，不利于形狀復(fù)雜零部件的制造［6 ～ 8］。但作為傳統(tǒng)制備鎢銅復(fù)合材料廣泛應(yīng)用的方法之一，溶滲法制備的材料具有致密度高，燒結(jié)性能好，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能理想等優(yōu)點(diǎn)。

1． 2高溫液相燒結(jié)法

高溫液相燒結(jié)法是將一定比例的鎢粉和銅粉進(jìn)行混合、成形，并在銅熔點(diǎn)以上的某一溫度下進(jìn)行燒結(jié)，獲得鎢銅復(fù)合材料。由于液相銅與鎢的表面潤濕性差，采用該工藝制備鎢銅復(fù)合材料的燒結(jié)致密化過程主要是顆粒重排，影響***終材料的燒結(jié)致密度。但作為傳統(tǒng)鎢銅復(fù)合材料的制備方法之一，高溫液相燒結(jié)法具有生產(chǎn)工藝簡單、易操易控等優(yōu)點(diǎn)［9，10］。

1． 3活化液相燒結(jié)法

活化液相燒結(jié)法是指在高溫液相燒結(jié)制備鎢銅復(fù)合材料過程中加入微量 Pd、Ni、Co、Fe 等活化元素提高燒結(jié)效果，獲得鎢銅復(fù)合材料。由于活化元素的加入會不同程度地影響材料的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，不利于其在熱、電控等材料中的應(yīng)用

［1，11］。但作為不斷發(fā)展的鎢銅復(fù)合材料新制備方法之一，與高溫液相燒結(jié)法相比，活化液相燒結(jié)法制備的材料具有燒結(jié)致密度高，硬度、抗彎強(qiáng)度等力學(xué)性能好的優(yōu)點(diǎn)。表 1 所示為兩種燒結(jié)方法制備的 W-10Cu 復(fù)合材料的部分性能對比［1］。

1．4 功能梯度法

功能梯度法是指通過一定的工藝手段獲得具有特定梯度結(jié)構(gòu)和性能的鎢銅復(fù)合材料的方法。采用該方法制備的功能梯度材料的特點(diǎn)是通過成分連續(xù)變化的中間層由具有高導(dǎo)電、導(dǎo)熱性和良好塑韌性的銅或高銅含量的鎢銅復(fù)合材料一端，逐步過渡到高熔點(diǎn)、高硬度的鎢或高鎢含量的鎢銅復(fù)合材料一端［12，13］。目前，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱應(yīng)力分析及制備工藝等仍是該類材料的研究重點(diǎn)，其應(yīng)用開發(fā)主要處于基礎(chǔ)性試驗(yàn)階段。但作為新近發(fā)展的鎢銅復(fù)合材料制備方法之一，功能梯度法制備的材料具有較好的力學(xué)性能、抗燒蝕性及抗熱震性等優(yōu)點(diǎn)。

1．5 其它新方法

近年來，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對材料性能及零部件形狀復(fù)雜程度要求的提高，粉末制備、成形及燒結(jié)技術(shù)迅速發(fā)展，新的鎢銅復(fù)合材料制備方法不斷涌現(xiàn)。比如，粉末制備中的熱氣流霧化、熱化學(xué)法等，成形中的注射成形、流動溫壓技術(shù)等，燒結(jié)中的微波燒結(jié)、激光燒結(jié)及放電等離子燒結(jié)等［14 ～ 17］。此外，根據(jù)零部件使用環(huán)境要求設(shè)計(jì)并制備特定結(jié)構(gòu)鎢銅復(fù)合材料的方法近年來也獲得了廣泛關(guān)注和巨大發(fā)展。

2.鎢銅復(fù)合材料的應(yīng)用開發(fā)

2．1電器開關(guān)

鎢銅復(fù)合材料自上世紀(jì)三十年代出現(xiàn)以來就作為高壓電器開關(guān)的電觸頭材料逐漸獲得應(yīng)用。鎢3387 ℃ 的熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于銅 2593 ℃ 的沸點(diǎn)，有利于電弧高溫作用下鎢銅復(fù)合材料中銅的" 發(fā)汗" 散熱，從而保持鎢骨架的及時冷卻，降低電子發(fā)散程度，保證電觸頭的良好開斷功能［18，19］。近年來，真空電器開關(guān)的出現(xiàn)對鎢銅復(fù)合材料的發(fā)展提出了新要求，拓寬了該類材料的應(yīng)用領(lǐng)域，有力推動了鎢銅復(fù)合材料制備技術(shù)的發(fā)展。

2．2電極

電極材料是電火花加工中的關(guān)鍵材料，對加工面的光潔度、加工精度、精細(xì)加工能力及加工穩(wěn)定性等均將產(chǎn)生直接影響，要求材料具有較好的致密度和組織均勻性，尤其是一些管料、

細(xì)長棒材及異型電極等。盡管銅和部分銅合金由于材料來源廣、價格相對低廉，在電火花加工發(fā)展的初期曾一度成為其電極材料的主導(dǎo)方向。但由于銅和銅合金耐電火花燒蝕能力差，導(dǎo)致電極消耗大、加工精度不足。而鎢銅復(fù)合材料由于其良好的耐燒蝕能力和高溫力學(xué)性能，其電極使用壽命、加工效率及加工精度明顯更高，是 現(xiàn) 代 電 火 花 加 工 電 極 材 料 的 重 要 發(fā) 展 方向［20］。

2．3微電子

鎢銅復(fù)合材料由于其良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能及優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，已成為大功率微波器件和超大規(guī)模集成電路基片、嵌塊、連接件及散熱元件等不可缺的關(guān)鍵材料［20］。其高導(dǎo)熱、高熱穩(wěn)定性及良好的近凈尺寸成形性，可提高微電子器件的使用功率，有利于實(shí)現(xiàn)器件的小型化和精密化發(fā)展。鎢銅復(fù)合材料的低熱膨脹系數(shù)及其熱膨脹系數(shù)的可調(diào)節(jié)性，有利于其與微電子器件中硅片、砷化鎵等半導(dǎo)體材料及管用陶瓷材料的連接匹配，避免熱應(yīng)力導(dǎo)致的熱疲勞破壞［18，21，22］，拓寬鎢銅復(fù)合材料在微電子領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

2．4軍工

鎢銅復(fù)合材料由于其高導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，良好的抗電弧、抗摩擦及熱穩(wěn)定性等，自上世紀(jì)六十年代起便逐漸在電磁炮導(dǎo)軌、火箭導(dǎo)彈噴管喉襯及燃?xì)舛娴雀邷仡I(lǐng)域獲得應(yīng)用。此外，鎢銅復(fù)合材料近年來逐漸被用作破甲彈藥罩材料，其高密度、高聲速及良好的力學(xué)性能，有利于提高破甲彈的破甲威力。歐美等發(fā)達(dá)國家研究表明，與純銅破甲彈藥罩相比，鎢銅復(fù)合材料藥罩在三倍口徑炸高的條件下，其破甲深度可提高 30%［18］。隨著高性能鎢銅復(fù)合材料的制備技術(shù)和應(yīng)用研究的不斷發(fā)展，在軍事工業(yè)中的應(yīng)用前景將更加廣闊。

3.展望

鎢銅復(fù)合材料作為一種重要的粉末冶金材料，因其一系列較為優(yōu)異的性能，長期以來受到材料和冶金科技工作者的廣泛關(guān)注和深入研究。隨著制備技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的開拓，鎢銅復(fù)合材料逐漸在電氣、微電子、航天航空及國防等工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，但在保證材料致密度和使用性能的基礎(chǔ)上，如何實(shí)現(xiàn)工業(yè)簡單化、多樣化和節(jié)能化仍是該類材料當(dāng)前發(fā)展的關(guān)鍵所在。近年來，高度彌散、納米化粉末制備技術(shù)、新型壓制及燒結(jié)技術(shù)的快速發(fā)展，使鎢銅復(fù)合材料的性能獲得了進(jìn)一步提高，有效拓寬了其在高新領(lǐng)域的應(yīng)用前景，但如何開發(fā)出易操易控的新工藝實(shí)現(xiàn)真正意義的產(chǎn)業(yè)化仍是該類材料今后研發(fā)的重點(diǎn)。

來源：中國知網(wǎng)    作者：劉克明

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