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![[材料科学]金属基复合材料](https://img.taocdn.com/s1/m/bd12e168f121dd36a22d8208.png)
现代科学的发展和技术的进步，对材料性能提出了更高的要求，往往希望材料具有某些特殊性能的同时，又具备良好的综合性能。
传统的单一材料已经很难满足这种需要。
因此，人们将注意力转向复合材料，复合材料是指由两种或两种以上成分不同，性质不同，有时形状也不同的相容性材料以物理方式合理的进行复合而制成的一种材料。
其以最大限度的发挥各种材料的特长，并赋予单一材料所不具备的优良性能，复合材料的性能还具有可设计性的重要特征。
作为复合材料重要分支的金属基复合材料（MMCs），发展于20世纪50年代末期或60年代初期。
现代材料方面不但要求强度高，还要求其重量要轻，尤其是在航空航天领域。
金属基复合材料正是为了满足上述要求而诞生的。
1.金属基复合材料的分类金属基复合材料（Metal matrix Composite，简称MMCs）是以陶瓷（连续长纤维、短纤维、晶须及颗粒）为增强材料，金属（如铝、镁、钛、镍、铁、桐等）为基体材料而制备的。
金属基复合材料分为宏观组合型和微观强化型两大类。
前者指其组分能用肉眼识别和具备两组分性能的材料(如双金属、包履板等)；后者需显微观察分辨组分以改善成分来提高强度为主要目标的材料。
根据用途分类：（1）结构复合材料：高比强度、高比模量、尺才稳定性、耐热性等是其主要性能特点。
用于制造各种航天、航空、汽车、先进武器系统等高性能结构件。
（2）功能复合材料：高导热、导电性、低膨胀、高阻尼、高耐磨性等物理性能的优化组合是其主要特性，用于电子、仪器、汽车等工业。
强调具有电、热、磁等功能特性。
（3）智能复合材料：强调具有感觉、反应、自监测、自修复等特性。
根据复合材料基体可划分为铝基、镁基、钢基、钛基、高温合金基、金属间化合物基及耐热金属基复合材料等。
按按增强体分类划分为颗粒增强金属基复合材料、层状增强金属基复合材料和纤维增强金属基复合材料。
2.金属基复合材料的性能特点与传统的金属材料相比，金属基复合材料具有较高的比强度与比刚度，而与高分子基复合材料相比，它又具有优良的导电性而耐热性，与陶瓷材料相比，它又具有较高的韧性和较高的抗冲击性能。
金属基复合材料姓名：李英杰班级：材控13-2学号：201301021048铜金属基复合材料摘要：铜基复合材料因其具有优良的力学性能、较高的耐磨性和良好的导电导热性,被广泛应用于电子封装、电刷、电接触元件及电阻焊电极等方面。
寻求既具有高导电导热性又具有良好力学性能的新型增强颗粒,对于铜基复合材料的研究和应用具有非常重要的意义。
纳米金刚石(ND)具有高硬度、高耐磨性、导热性好和热膨胀系数低等优异性能,将其弥散分布到铜体中有望得到具有优良综合性能的铜基复合材料。
本文主要介绍碳纤维增强铜基复合材料，其次还有不同的制备方法和加入不同的增强体的铜基材料。
关键词：碳纤维增强铜基复合材料复合电铸粉末冶金法 Cr3C2颗粒引言：碳纤维增强铜基复合材料以其优异的导电、导热、减摩和耐磨性能以及较低的热膨胀系数而广泛应用于航空航天、机械和电子等领域[1-5]。
正是由于这种材料优异的性能以及在应用方面的优势，国内外对于碳纤维增强铜基复合材料的研究一直没有间断过。
从2O世纪7O年代末开始，国内有关研究机构和高等院校就相继展开了C／Cu复合材料的试验研究，并取得了重要进展[6]。
综合合金化强化、固溶强化、颗粒增强复合材料、形变强化以及时效析出强化等多种手段,对高强高导铜基材料展开研究,成功制备了一种新的Cr3C2颗粒增强Cu基复合材料,并探讨了Cr3C2/Cu复合材料的相关机理[7]。
粉末冶金法是制备短碳纤／铜基复合材料的一种普遍方法。
其中,冷压烧结粉末冶金法只适合制备碳纤维含量较低的碳一铜复合材料[8]。
复合电铸工艺制备颗粒增强铜基复合材料,通过工艺研究、优化,成功制备了颗粒分布均匀,含量可控,材料组织致密、完整的Cu/SiC Cu/Al2O3复合材料。
通过对力学性能、物理性能及摩擦磨损性能的研究考察,确定了复合电铸工艺制备的不同粒径颗粒增强铜基复合材料的性能特点、强化机制,为材料的实际应用提供理论参考[9]。
一、简述不同类型铜金属基复合材料1.复合电铸制备颗粒增强铜基复合材料随着现代航空航天、电子技术、汽车、机械工业的快速发展,对铜的使用提出了更多更高的要求,即在保证铜良好的导电、导热性能的基础上,要求铜具有高强度,尤其是良好的高温力学性能,低的热膨胀系数和良好的摩擦磨损性能。
颗粒增强铜基复合材料应运而生,通过在铜基体中加入或生成具有高强度、高模量、耐磨、耐高温且密度相对较低的第二相颗粒,铜的室温、高温力学性能以及摩擦磨损性能获得显著改善,同时,材料的导电性能不会因颗粒的加入而明显降低。
颗粒增强铜基复合材料的这些优势弥补了铜合金化以后在传导、磨损和高温性能方面存在的不足。
目前,对于高熔点的金属,如铜、镍等,传统的一些物理冶金制备方法（如熔铸法、粉末冶金法等）表现出一些不足,如制备温度高、工艺复杂、界面反应严重等。
另外,随着纳米颗粒在金属基复合材料中更广泛的应用,这些物理冶金方法在解决纳米颗粒的团聚、均匀分散等问题上存在诸多困难,制备难度较大,这在一定程度上限制了纳米颗粒增强铜基复合材料的推广和应用。
但结合复合电沉积原理和电铸技术,采用复合电铸工艺制备颗粒增强铜基复合材料。
该工艺简单、操作温度低、界面无反应,颗粒分散均匀。
同时,还可将材料的制备与成型同时进行,简化了生产工艺，在颗粒增强铜基复合材料的复合电铸工艺进行考察和优化时,对该工艺所制备材料的性能进行深入研究和探讨。
研究内容主要包括以下几个方面:首先对SiC、Al2O3两种颗粒与铜的共沉积促进表面活性剂进行了考察和筛选。
结果表明,对于铜/碳化硅和铜/氧化铝两种复合体系,效果较好的共沉积促进表面活性剂分别是氟碳表面活性剂FC-4和十二烷基三甲基氯化铵。
采用这两种表面活性剂所制备的Cu/SiC、Cu/Al2O3复合材料,颗粒含量高且分散均匀,颗粒与铜基体结合良好,组织结构致密,表面细密、平整。
在成功选择表面活性剂后,重点研究了颗粒添加浓度和颗粒粒径大小、搅拌强度、电流密度以及镀液温度等工艺参数对SiC、Al2O3颗粒与铜共沉积的影响,并得出以下主要结论:（1）不同粒径的SiC颗粒和Al2O3颗粒在镀液中的添加量都存在一个值,使复合材料中颗粒含量达到最大。
低于和高于这个值,复合材料中颗粒含量降低和趋于稳定或略有下降。
（2）存在一个搅拌强度值使微米SiC颗粒和微米Al2O3颗粒在复合材料中的含量达到最大。
而复合材料中纳米SiC颗粒和纳米Al2O3颗粒含量随着搅拌强度的提高而提高。
（3）不同粒径的SiC颗粒在复合材料中的含量都随电流密度的提高而增加。
而复合材料中微米Al2O3颗粒的含量则随电流密度的提高而下降。
纳米Al2O3颗粒的共沉积受电流密度的影响不明显;提高镀液温度对SiC和Al2O3颗粒在复合材料中的含量都是不利的。
综合考虑材料的组织结构、颗粒含量和镀速等因素,对SiC颗粒和Al2O3颗粒两种复合体系,较为合适的电流密度为8A/dm2,镀液温度为30℃。
（4） SiC颗粒、Al2O3颗粒在镀液中添加量的增加,以及两种颗粒粒径的减小对镀速都不利,使得复合电铸的速度降低。
在成功制备颗粒增强铜基复合材料的基础上,对Cu/SiC复合材料和Cu/Al2O3复合材料的力学性能以及强化机理进行研究和探讨。
结果表明:不同粒径SiC颗粒、Al2O3颗粒的加入,提高了铜基复合材料的硬度和强度,材料的塑性降低。
粒径较大的微米颗粒对复合材料硬度的提高效果要大于粒径小的颗粒,但粒径小的颗粒对材料拉伸性能的提高要好于粒径大的颗粒。
纳米颗粒能显著提高材料的硬度和强度,但材料的的塑性下降不显著,仍保持9%以上的延伸率。
纳米颗粒对材料的力学性能的改善优于微米颗粒。
对于微米SiC和微米Al2O3颗粒,复合材料中主要的强化机理是颗粒弥散强化和位错强化;纳米SiC、纳米Al2O3颗粒对复合材料的强化机理主要是Orowan位错强化和细晶强化。
材料断裂的主要机制是裂纹沿颗粒-基体界面生成、扩展,导致界面脱离,最终材料因裂纹贯穿整个材料而断裂破坏。
电铸颗粒增强铜基复合材料的断口形貌为等轴的韧窝,呈明显的韧性断裂特征。
颗粒增强铜基复合材料的导电和热膨胀性能测试结果显示,随微米SiC、微米Al2O3颗粒含量的增加,材料导电性能下降,但仍保持较好的导电性能。
材料的热膨胀系数随颗粒含量增加而降低。
热处理后,材料的热膨胀系数会提高。
纳米SiC颗粒、纳米Al2O3颗粒对材料的导电性能、热膨胀性能的影响不显著。
这为获得高强高导电的铜基复合材料提供了一条有效的途径。
本研究对电铸制备的SiC颗粒、Al2O3颗粒增强铜基复合材料的室温磨损性能进行了测试。
结果表明,电铸纯铜的磨损机制主要是粘着磨损,颗粒增强铜基复合材料则是以磨粒磨损为主的磨损机制。
颗粒的加入提高了复合材料的硬度和流变应力,增强了磨损表面的机械混合层的强度和硬度,减缓对磨件对基体材料的磨损,使复合材料获得较好的耐磨损性能。
在低载荷（100N以内）下,随着颗粒含量和颗粒粒径的增大,复合材料的耐磨性能提高。
在较高磨损载荷（100N以上）下,颗粒的加入有效地延缓了铜基复合材料的严重磨损,但粒径较大颗粒的含量的增加不利于复合材料的磨损性能。
颗粒粒径小的复合材料,特别是纳米颗粒增强复合材料,在高载荷下表现更加稳定,耐磨损性能更优异。
采用复合电铸工艺制备颗粒增强铜基复合材料,通过工艺研究、优化,成功制备了颗粒分布均匀,含量可控,材料组织致密、完整的Cu/SiC、Cu/Al2O3复合材料。
通过对力学性能、物理性能及摩擦磨损性能的研究考察,确定了复合电铸工艺制备的不同粒径颗粒增强铜基复合材料的性能特点、强化机制,为材料的实际应用提供理论参考。
研究所制备的的纳米颗粒增强铜基复合材料表现出优异的力学性能、抗磨性能以及良好的导电性能,为高强高导电材料的制备和应用提供了新的思路[9]。
2.粉末冶金法制备纳米金刚石/铜基复合材料纳米金刚石(ND)具有高硬度、高耐磨性、导热性好和热膨胀系数低等优异性能,将其弥散分布到铜体中有望得到具有优良综合性能的铜基复合材料。
采用粉末冶金冷压-烧结法制备ND/Cu复合材料。
研究了球磨工艺、成型压力、烧结温度和时间等工艺参数对复合材料微观结构和性能的影响,确定了制备复合材料最佳的工艺条件。
对加入不同类型金刚石(纳米级(ND)、微米级(MD)、表面处理纳米级(AND))的铜基复合材料的电导率、抗拉强度、耐磨性等性能进行测试,并利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等对复合材料的微观组织进行观察和分析。
结果表明:随着纳米金刚石含量的增加,ND/Cu复合材料的电导率降低,而其硬度和摩擦磨损性能则得到显著提高,其抗拉强度呈现出先增后减的趋势,其抗软化温度均大于600℃。
当纳米金刚石含量≦1 %时,纳米金刚石可均匀的弥散分布到铜基体中,复合材料的致密度较高,孔隙等缺陷较少。
随着微米金刚石含量的增加,MD/Cu复合材料与ND/Cu复合材料性能变化规律相似,但在相同百分含量条件下,MD/Cu复合材料的相对密度和电导率高于ND/Cu复合材料,而其硬度和耐磨性则低于ND/Cu复合材料。
纳米金刚石经表面改性处理后(1100℃保温60min 退火),得到外层为石墨内部为金刚石核-壳的复合纳米结构,且其团聚现象明显降低,因而可以更均匀的弥散分布到铜基体中,使得AND/Cu复合材料的电导率、抗拉强度、耐磨性等性能优于ND/Cu复合材料[8]。
3.Cr3C2颗粒增强高强高导铜基复合材料Cr3C2颗粒增强Cu基复合材料,主要研究工作如下:（1）在大量实验的基础上,提出了一种制备Cr3C2增强Cu基复合材料的新工艺:电弧炉+石墨坩埚隔离铜坩埚的熔炼技术。
对制备的复合材料组织及性能进行了相关研究,结果表明该复合材料具有良好的力学和电学性能。
（2）通过对试样显微组织结构的分析,提出了在熔铸过程中Cr3C2相的形成机理为:在高温下Cr与石墨坩埚发生强烈反应,导致形成铬的碳化物,并在铜液中扩散,浇铸后得到Cr3C2/Cu材料。
（3）以电弧炉制备的Cr3C2/Cu材料为母合金,采用喷铸技术制备了高性能Cr3C2增强Cu基复合材料,进一步扩大了Cr3C2在Cu基体中的固溶度和细化了晶粒,并经过恰当的形变和时效处理,大大提高了材料的电学和力学性能:抗拉强度σb=664.5 MPa,显微硬度Hv100=220,导电率σ=82.5 IACS%（国际退火铜标准）,软化温度达550℃,可以满足超大规模集成电路引线框架材料所要求的主要性能指标。
（4）利用纯石墨坩埚熔炼的思想,进一步提出中频感应炉制备Cr3C2增强铜基复合材料的工艺。
该工艺的实现主要是采用了自行设计制作的紫铜模,提高了Cu基体固溶合金化元素固溶度的能力[7]。
二、碳纤维增强铜基复合材料1.概念：碳纤维增强铜基复合材料以其优异的导电、导热、减摩和耐磨性能以及较低的热膨胀系数而广泛应用于航空航天、机械和电子等领域[1-5]。
