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高强高导铜基复合材料是目前铜基复合材料研究的热点。Al2O3/Cu复合材料是目前综合性能最佳的高强高导铜基材料之一。由于化学稳定性和热稳定性均好的Al2O3颗粒的存在,使该复合材料在保持铜基体优越的导电、导热性能的同时,不仅具有高的室温强度和硬度,而且具有优良的高温强度和高温硬度,在电子、机械、航空等工业上具有广阔的应用前景。
目前,Al2O3/Cu复合材料常用的制备方法有:机械合金化法、溶胶—凝胶法、内氧化法等,其中内氧化法是目前规模化制备性能优良的Al2O3/Cu复合材料的最佳方法。但是传统的内氧化工艺复杂、生产周期长、成本高,难以获得市场认可。为了降低Al2O3/Cu复合材料的生产成本,本文以内氧化制备Al2O3/Cu复合材料新型工艺为研究对象,首先研究了Cu-Al合金内氧化的热力学,为如何实施内氧化工艺提供了理论依据;以Cu2O为氧源,借助于自制炉胆,进行了Cu-Al合金内氧化实验,建立了内氧化动力学模型,为定量描述内氧化进程提供了依据;在此基础上,进行了Al2O3/Cu复合材料新型内氧化工艺研究:采用新型内氧化工艺制备了Al2O3/Cu复合材料,并在点焊电极上进行了装机试验。
研究结果表明:
温度和氧分压是Cu-Al合金内氧化工艺的关键参数。不同温度下,Cu-Al合金内氧化的上限氧分压和下限氧分压分别为:
lgPO2=-17611/T+12.91lgPo2(min)=-55830/T-4/3×lg[%Al]+19.95基于氧在铜基体中稳态扩散条件下的内氧化动力学模型为:
平板试样:X2=4NoDo/3NAlt圆柱试样:1/2(r12-r22)-r22ln(r1/r2)=4NoDo/3NAlt球形试样:1/3r21-r22+2/3r22/r1=4NoDo/3NAlt微观组织观察显示Cu-Al合金平板、圆柱、球形试样的内氧化前沿为陡过渡界面,内氧化前沿形貌与试样的形状具有一致性,在CuAl合金的内氧化过程中,氧以体扩散为主,没有明显的沿晶界扩散。
内氧化法制备Al2O3/Cu复合材料新型工艺的实施在保证传统工艺内氧化、还原彻底性和烧结致密性的前提下简化了工艺过程,降低了生产成本。
采用新型工艺制备的Al2O3/Cu复合材料具有优良的综合性能:Al2O3含量为0.6wt.%的Al2O3/Cu复合材料,电导率在85%IACS以上;软化温度达到900℃以上;在800℃时抗拉强度仍能达到156MPa。
新型工艺制备的Al2O3/Cu复合材料点焊电极具有优良的抗塑性变形能力和抗坑蚀能力,使用寿命为传统Cu-Cr-Zr电极的3倍以上,具有性价比高、焊接质量好、生产效率高的特点,在焊接工业上有广阔的发展前景。