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超高压梯度烧结法制备WCu功能梯度材料

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钨铜合金电触头材料的最新研究进展

钨铜合金电触头材料的最新研究进展

钨铜合金电触头材料的最新研究进展宫鑫;任帅;李黎【摘要】钨铜合金因其导电导热性好、密度大、强度硬度高、耐电弧烧蚀性能优异,被广泛用作高压电器的触头材料.鉴于电力工业的不断发展对触头材料性能提出的更高要求,综述了提高钨铜电触头性能多种途径的最新研究进展;介绍了电弧对钨铜触头的烧蚀过程与机理;总结了现阶段混合式和包覆式钨铜复合粉末的制备方法.概述钨铜合金触头传统和新型制备工艺的研究进展,提出功能梯度材料和细晶/纳米材料是钨铜合金的发展趋势.介绍添加稀土元素、硬质颗粒、活化剂元素对钨铜触头进行掺杂改性的方法,并列举影响钨铜合金性能的其他因素;最后分析钨铜合金电触头材料的研究热点和存在问题.【期刊名称】《广东电力》【年(卷),期】2019(032)005【总页数】12页(P87-98)【关键词】钨铜电触头;电弧烧蚀;制备工艺;掺杂改性;综述【作者】宫鑫;任帅;李黎【作者单位】强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学),湖北武汉430074;强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学),湖北武汉 430074;强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学),湖北武汉 430074【正文语种】中文【中图分类】TM241钨铜合金出现之后即用于高压开关电器的电触头材料，如今在真空、压缩空气、SF6、N2等不同气氛的交直流开关和断路器中，钨铜触头材料占有很大份额[1-2]。

钨铜合金在其他学科领域的应用也十分广泛，被用作电阻焊和电加工电极、电子封装和靶材、破甲弹的药性罩、飞机喉衬和燃气舵、飞行器喷嘴等[3]。

在电接触领域，触头材料的性能基本上决定了高压开关的发展趋势。

对材料性能的基本要求有：导电导热性好、耐压值高、分断电流能力强、截流值低[4]、耐电弧烧蚀、抗材料转移能力强、抗熔焊性能优良[5]，以及接触电阻低而稳定、温升低、耐环境性[6]等。

钨铜合金是由钨与铜组成的既不互溶又不形成金属间化合物的假合金(pseudo-alloy)[7]，正是这种组合使得钨铜合金同时具有钨和铜的多种优良性能[8]。

功能梯度材料

功能梯度材料

功能梯度材料功能梯度材料（FGM）是一种具有逐渐变化化学成分或结构的材料，其性能在空间上呈现出递增或递减的特点。

这种材料在工程领域中具有广泛的应用，可以有效地解决材料之间的界面问题，提高材料的性能和稳定性。

本文将介绍功能梯度材料的基本概念、制备方法和应用领域。

功能梯度材料的基本概念是指材料的成分或结构在空间上呈现出逐渐变化的特点。

这种逐渐变化可以是化学成分的递增或递减，也可以是结构特征的递增或递减。

通过这种逐渐变化，功能梯度材料可以在不同位置具有不同的性能，从而满足复杂工程环境的需求。

功能梯度材料的制备方法主要包括激光熔覆、沉积成形、化学气相沉积等技术。

其中，激光熔覆是一种常用的制备方法，通过控制激光熔覆过程中的参数，可以实现材料成分和结构的逐渐变化。

沉积成形技术则是利用3D打印等技术，将不同材料逐渐沉积在一起，形成功能梯度结构。

化学气相沉积则是通过控制反应条件和沉积速率，实现材料成分的逐渐变化。

这些制备方法可以灵活地调控功能梯度材料的性能和结构，满足不同工程应用的需求。

功能梯度材料在工程领域中具有广泛的应用。

例如，在航空航天领域，功能梯度材料可以用于制造航天器的热防护结构，提高其耐热性能和抗氧化性能。

在机械制造领域，功能梯度材料可以用于制造高强度、耐磨损的零部件，提高机械设备的使用寿命和稳定性。

在电子器件领域，功能梯度材料可以用于制造高效能、高稳定性的电子元件，提高电子设备的性能和可靠性。

这些应用领域都充分展示了功能梯度材料在工程领域中的重要作用。

总的来说，功能梯度材料是一种具有逐渐变化化学成分或结构的材料，其性能在空间上呈现出递增或递减的特点。

通过灵活的制备方法和广泛的应用领域，功能梯度材料可以有效地解决工程领域中的复杂问题，提高材料的性能和稳定性。

相信随着科学技术的不断进步，功能梯度材料将在更多领域展现出其独特的优势，为人类社会的发展做出更大的贡献。

梯度功能材料的制备与应用及其发展状况(功能材料论文)

梯度功能材料的制备与应用及其发展状况(功能材料论文)

梯度功能材料的制备与应用及其发展状况摘要：近年来，梯度功能材料(FunctionallyGradientMaterials，FGM)由于其优异的性能和特殊的功能，得到了迅速发展，展现出极大的应用价值。

FGM的制备方法主要有粉末冶金法、等离子喷涂法、激光熔覆法、自蔓延高温燃烧法等。

FGM在航空航天、电磁工程、生物工程、核能和电气工程等领域都有广泛的应用。

文章综述了FGM的制备方法、特性、在各领域的应用以及发展现状，对未来的发展做了一些展望。

关键词：梯度功能材料；制备方法；特性；应用；发展前景梯度功能材料(functional gradient material, FGM),即材料的组分和结构从材料的某一方位(一维、二维、三维)向另一方位连续地变化,使材料的性能和功能也呈现梯度变化的一种新型材料[1]。

20世纪80年代后期,日本学者新野正之等首先提出功能梯度材料的概念[2],很快引起多个国家宇航领域科技工作者的极大关注,功能梯度材料的研究在各国迅速展开,二十多年来,国内外在功能梯度材料的组织结构、性能、制备工艺、设备以及材料的应用方面都取得了令人瞩目的成果。

1梯度功能材料制备方法1.1粉末冶金法(PM)PM法是将10μm～100μm粒径的粉末(金属、陶瓷)充分混合，按组分梯度分层填充或连续成分控制填充，压实后烧结制备FGM[3]。

PM法具有设备简单、易于操作、成本低等优点，但需要对烧结温度、保温时间和冷却速度等工艺进行严格控制。

1.2等离子喷涂法等离子喷涂法是将原料粉末送至等离子射流中，以熔融状态状态直接喷射到基材上形成涂层。

该方法使用粉末作喷涂材料,以气体作载体将粉末吹入等离子射流中, 依靠等离子弧将粉末熔化,熔融的粒子被进一步加速,然后以极高的速度打在经过净化和粗化处理的基材表面,产生强烈的塑性变形,相互挤嵌、填塞,形成扁平的层状结构涂层。

喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例，调节等离子射流的温度及流速，即可调整成分和组织，获得FGM涂层。

功能梯度材料

功能梯度材料

功能梯度材料功能梯度材料（FGM）是一种具有梯度性质的复合材料，其性能在材料内部呈现出逐渐变化的特点。

这种材料的设计灵感来源于自然界中许多生物体的结构，比如贝壳、骨骼等，它们都具有类似的梯度性质，能够有效地抵抗外部环境的影响，具有很高的韧性和强度。

功能梯度材料的设计理念是将不同性能的材料通过一定的方式结合起来，使得整体材料的性能在空间上呈现出梯度变化。

这种设计能够充分发挥各种材料的优势，同时弥补它们的缺陷，从而实现材料性能的最优化。

在实际应用中，功能梯度材料已经被广泛应用于航空航天、汽车制造、医疗器械等领域，取得了显著的效果。

功能梯度材料的制备方法多种多样，包括堆砌法、激光熔覆法、沉积法等。

其中，堆砌法是一种比较常见的制备方法，它通过层层堆砌不同性能的材料，然后进行烧结或热压，最终形成具有梯度性质的复合材料。

激光熔覆法则是利用激光熔化金属粉末，将不同成分的金属粉末逐层熔覆在基底上，形成梯度材料。

沉积法则是通过化学气相沉积、物理气相沉积等方法，在基底上沉积不同性能的材料，形成梯度材料。

功能梯度材料的应用前景广阔，它可以为工程领域提供更多的可能性。

比如，在航空航天领域，功能梯度材料可以用于制造航天器的热防护层，提高其对高温和高速气流的抵抗能力；在汽车制造领域，功能梯度材料可以用于制造车身结构件，提高汽车的安全性和舒适性；在医疗器械领域，功能梯度材料可以用于制造人工关节和骨科植入物，提高其与人体组织的相容性和稳定性。

总的来说，功能梯度材料是一种具有巨大潜力的新型材料，它将为人类社会的发展带来新的机遇和挑战。

随着科学技术的不断进步，功能梯度材料必将在更多领域展现出其独特的价值和魅力，为人类社会的可持续发展做出更大的贡献。

【CN109702200A】一种WCu功能梯度材料及其制备方法【专利】

【CN109702200A】一种WCu功能梯度材料及其制备方法【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910158324.0(22)申请日 2019.02.28(71)申请人 中国地质大学（武汉）地址 430000 湖北省武汉市洪山区鲁磨路388号申请人 武汉华科三维科技有限公司(72)发明人 周燕　文世峰　甘杰　段隆臣　杨展　方小红　谭松成　(74)专利代理机构 武汉知产时代知识产权代理有限公司 42238代理人 郝明琴(51)Int.Cl.B22F 3/11(2006.01)B22F 7/02(2006.01)C22C 9/00(2006.01)C22C 27/04(2006.01)(54)发明名称一种W/Cu功能梯度材料及其制备方法(57)摘要本发明公开了一种W/Cu功能梯度材料及其制备方法，属于增材制造技术以及粉末冶金领域。

本发明中的W/Cu功能梯度材料的结构一面为纯钨基板，另一面为纯铜基板，两基板之间由多孔钨骨架渗铜形成梯度材料进行连接，其中的多孔钨骨架由3D打印进行制备，然后通过渗铜法制得多孔钨骨架渗铜梯度材料；该梯度材料所含元素及质量百分含量为：W，50％；Cu，50％。

本发明采用数字化增材制造技术能快速地成形具有多孔隙地钨骨架复杂结构，且能准确地控制钨骨架孔隙的均匀分布、质量的梯度分布，为制备严格意义上的W/Cu功能梯度材料提供了新技术手段。

权利要求书2页 说明书6页 附图3页CN 109702200 A 2019.05.03C N 109702200A权　利　要　求　书1/2页CN 109702200 A1.一种W/Cu功能梯度材料，其特征在于，所述W/Cu功能梯度材料所含元素及质量百分含量为：W，50％；Cu，50％；所述W/Cu功能梯度材料的结构一面为纯钨基板，另一面为纯铜基板，两基板之间由多孔钨骨架渗铜形成的梯度材料进行连接。

2.根据权利要求1所述的一种W/Cu功能梯度材料，其特征在于，所述多孔钨骨架组成单元体为三维十字架、三维X架、立方体、正八面体、正十二面体中的一种或多种。

钨铜合金-文献综述

钨铜合金-文献综述

目录引言 (1)一. 钨铜合金概况 (2)1.1钨铜合金的性能及应用 (2)1.2 钨铜合金的制备 (3)1.2.1 熔渗法 (3)1.2.2 活化液相烧结法 (5)1.2.3金属注射成型（MIM） (7)1.2.4 热压烧结法 (7)1.2.5 超细混合粉末的直接烧结 (8)二. 包覆粉及研究进展 (9)2.1包覆粉的制备方法 (10)2.1.1机械化学改性法 (10)2.1.2溶胶-凝胶法 (11)2.1.3 均相沉淀法 (11)2. 1.4物理气相沉积法 (12)2. 1.5化学镀法 (13)三.钨铜板材的研究进展 (14)3.1普通轧制 (14)3.2金属粉末轧制 (14)3.3其他制板技术 (15)四.流延技术及应用 (16)4.1.流延法 (16)4.2.溶液流延法 (17)参考文献 (19)引言钨铜合金由于自身的诸多优良特性，目前己广泛应用于大容量真空断路器和微电子领域。

上世纪30年代中期，伦敦镭协会的Melennan和Smithells 最早进行了钨铜合金的研制。

这类合金在国防、航空航天、电子信息和机械加工等领域中具有十分广泛的用途，在国民经济中占有重要的地位。

钨基合金受到了世界各国的高度重视，已成为材料科学界较为活跃的研究领域之一。

钨具有高的熔点、高的密度、低的热膨胀系数和高的强度，铜具有很好的导热、导电性。

由W和Cu组成的W-Cu合金兼具W和Cu的优点，即具有高的密度、良好的导热性和导电性、低的热膨胀系数。

随着微电子信息技术的发展，电子器件的小型化和高功率化，器件的发热和散热是其必须面对的一个重要问题。

W-Cu合金的高导热性可以满足大功率器件散热需要，尤为重要的是，其热膨胀系数(CTE)和导热导电性能可以通过调整材料的成分而加以设计，可以与微电子器件中不同半导体材料进行很好匹配连接，从而避免热应力所引起的热疲劳破坏。

因此在大规模集成电路和大功率微波器件中，钨铜合金薄板作为电子封装基板、连接件、散热片和微电子壳体用材可以有效减少因散热不足和热膨胀系数差异导致的应力问题，延长电子元件的使用寿命，具有广阔的应用前景。

W-Cu梯度热沉材料的研究进展

W-Cu梯度热沉材料的研究进展刘秋香;谢仕芳;陆德平【摘要】W-Cu梯度热沉材料具有高热导和低热膨胀系数等特点,使其具有较高的研究价值,并且得到了广泛的应用。

主要从成分设计、制备方法、烧结工艺及应用进展4个方面对W-Cu梯度热沉材料的研究展开论述。

%The tungsten/copper heat-sink gradient materials is widely used,due to excellent electric conductivity and low thermal expansion.The properties of tungsten/copper heat-sink gradient materials had high research value.The composition design of tungsten/copper heat-sink gradient materials,preparation methods,sintering process and application progress were discussed.【期刊名称】《江西科学》【年(卷),期】2012(030)004【总页数】4页(P499-502)【关键词】热沉材料;W-Cu合金;应用【作者】刘秋香;谢仕芳;陆德平【作者单位】江西省科学院应用物理研究所,江西南昌330029;江西省科学院应用物理研究所,江西南昌330029;江西省科学院应用物理研究所,江西南昌330029【正文语种】中文【中图分类】TB340 引言钨具有高熔点、高硬度等优良性能，铜具有较好的导热、导电性能。

由钨和铜组成的W-Cu复合材料则具有良好的导热性、导电性和低热膨胀系数。

目前，W-Cu复合材料在大规模集成电路和大功率微波器件中，用作基片、连接件和散热件等电子封装材料和热沉材料［1～3］。

然而，随着电子元器件大功率化和工作条件更加苛刻，均匀组成的W-Cu热沉材料难以满足散热性能方面的要求。

功能材料 梯度功能材料


神州号
杨利为
聂海胜、 聂海胜、费俊龙
背景： 背景：航空方面
每秒3.2公里，10倍音速 每秒3.2公里，10倍音速 3.2公里
W:T=3680K, 19.3; MO:T=2890K,10.2
设计
氧化物陶瓷熔点均在2000K以上， 氧化物陶瓷熔点均在2000K以上，密 2000K以上 度：Al2O3=4.0；TiB2=4.5；SiC＝ Al2O3=4.0；TiB2=4.5；SiC＝ 3.12等 3.12等 虚线－压应力区； 虚线－压应力区；0－无应力区 比较发现： 比较发现： 成分突变会导致应力集中（ 1. 成分突变会导致应力集中（解决 不好，哥伦比亚号坠毁，见图） 不好，哥伦比亚号坠毁，见图）
功能梯度材料
一、主要内容： 1.功能梯度材料概述 2.功能梯度材料制备 3.功能梯度材料应用 二、要求： 1.了解功能梯度材料的产生背景及其定义； 2.了解功能梯度材料的特点及其分类； 3.了解功能梯度材料的常用制备工艺； 4.功能梯度材料的应用重点和难点： 三、难点：功能梯度材料的制备原理
功能梯度材料概述 功能梯度材料 （Functionally Graded Materials,以下简称 以下简称FGM） 以下简称 ） 的概念是由日本材料学家 新野正之、 新野正之、平井敏雄和渡 边龙三等于1987年提出。 年提出。 边龙三等于 年提出 FGM就是为了适应新材料 就是为了适应新材料 在高技术领域的需要,满足 在高技术领域的需要 满足 在极 限温度环境(超高温、大温度落差 下不断反复正常工作而开发 限温度环境 超高温、大温度落差)下不断反复正常工作而开发 超高温 的一种新型复合材料。如图所示， 的一种新型复合材料。如图所示，在金属底层与热障工作层之 间引入成分过渡层，消除涂层中的宏观界面， 间引入成分过渡层，消除涂层中的宏观界面，合成一种非均一 的复合材料，其机械、物理、化学特性是连续变化的， 的复合材料，其机械、物理、化学特性是连续变化的，没有突 缓和了涂层中的热应力等， 出，缓和了涂层中的热应力等，成为可以应用于高温环境的新 一代功能材料。 一代功能材料。

WC-Co梯度硬质合金的研究现状

WC-Co梯度硬质合金的研究现状
赵妹;李明培;林风添;刘超;蔡晓康
【期刊名称】《福建冶金》
【年(卷),期】2024(53)3
【摘要】梯度硬质合金(Gradient Cemented Carbides)基于其特殊的结构或成分梯度变化,在不同的位置具备不同的性能,使整体具有优异的综合力学性能。

介绍了粘结相梯度硬质合金、表面贫立方相梯度硬质合金、表面富立方相硬质合金和多层梯度结构硬质合金等基本制备原理、组织结构特点和性能优势,指出了梯度硬质合金的发展趋势。

【总页数】6页(P41-46)
【作者】赵妹;李明培;林风添;刘超;蔡晓康
【作者单位】厦门钨业股份有限公司;厦门金鹭特种合金有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TG1
【相关文献】
1.WC-Co梯度结构硬质合金研究进展
2.WC-Co梯度结构硬质合金的研究进展
3.WC-Co功能梯度硬质合金研究进展
4.矿用WC-Co梯度硬质合金的制备及应用研究现状
5.气氛烧结法制备WC-Co梯度硬质合金的研究进展
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等几何功能梯度材料

等几何功能梯度材料
等几何功能梯度材料（Functional Gradient Materials，简称FGM）是指材料的组成和结构从某一方位向另一方位连续地变化，使材料的性能和功能也呈现梯度变化的一种新型的功能性材料。

根据材料的组合方式，FGM可以分为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式的材料。

根据其组成变化，FGM可以分为梯度功能整体型（组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料），梯度功能涂敷型（在基体材料上形成组成渐变的涂层），梯度功能连接型（连接两个基体间的界面层呈梯度变化）。

此外，根据不同的梯度性质变化，FGM可以分为密度FGM，成分FGM，光学FGM，精细FGM等。

目前，制备等几何功能梯度材料的方法包括自蔓延燃烧合成（SHS）和烧结（SPS）等。

其中，利用类似于SHS电场激活作用的SPS技术，对陶瓷、复合材料和梯度材料的合成和致密化同时进行，可得到65nm的纳米晶，比SHS少了一道致密化工序。

目前SPS制备的尺寸较大的FGM体系是ZrO2(3Y)/不锈钢圆盘，尺寸已达到100mm×17mm。

用普通烧结和热压WC粉末时必须加入添加剂，而SPS使烧结纯WC成为可能。

以上内容仅供参考，建议查阅关于等几何功能梯度材料的资料、文献，或者咨询材料科学专家，以获取更准确的信息。

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图 4 不同粘结相对梯度材料各层致密化的影响
Fig. 4 Effect s of binders on relative density
of different layers
W 层 (加入 2 %Ni 作为烧结助剂) 的烧结相对 密度大于 93. 5 %。加入 Zr 作烧结助剂 ,W/ Cu 梯度 材料 的 密 度 达 到 13. 46 g/ cm3 , 是 其 理 论 密 度 的 95. 5 % ; 而用 V 作烧结助剂 , 梯度材料的密度为 13. 22 g/ cm3 , 是其理论密度的 94. 47 % ; 用 Ni 作烧 结助剂 , 梯度材料的相对密度达到 96. 3 %。可见 , 用 Ni 作烧结助剂比 V 和 Zr 对 W/ Cu F GM 致密化 效果要好一些 。
或 qz |
Z + △Z △Z
qz| z = -
k′·J 2·Z
当 △Z →0 并取极限 , 上述方程可表达为
d qz dZ
=
-
k′·J 2·Z
(1)
根据假设 (2) 和 (4) , 有
qz =
-
k″·Z·dd
T Z
,
因而
d qz dZ
=
-
k″·dd
T Z
-
k″·Z·dd2ZT2 , 代入式 (1) 得 :
3 实验结果与讨论
3. 1 烧结助剂对 W/ Cu FGM 致密化的影响 从以上梯度材料烧结过程的传热分析可知 , 当
电流通过样品时 , 由于梯度材料的电阻随厚度方向 逐渐增大 , 因而高温区将集中在电阻率高的富钨 侧 , 从铜到钨端温度是不断升高的 。在富钨端 , 主 要是靠其自身产生的焦耳热来进行烧结 ; 而在富铜 端 , 则主要是靠富钨端传导过来的热量进行烧结 。 由于铜的烧结温度远比钨低 , 富铜端应该烧结得致 密一些 。图 3 所示是分布指数分别为 p = 0. 6 , 1. 4 , 1. 8 W/ Cu210 %Ni 6层梯度材料不同层的致密化效
超高压梯度烧结法制备 W/ Cu 功能梯度材料 ①
凌云汉 , 周张键 , 李江涛 , 杨大正 , 葛昌纯
(北京科技大学 特陶中心 ,北京 100083)
[ 摘 要 ] 提出了一种制备具有递变电阻及高熔点差功能梯度材料的新方法 —超高压梯度烧结法 , 并成功制备出
了相对密度达到 96 %的 W/ Cu 梯度功能材料 。推导了通电烧结过程中梯度材料内部的温度分布 , 表明温度场与电 流密度及材料的厚度大致成平方的梯度分布模式 ; 考察了不同的烧结助剂对 W/ Cu 梯度材料致密化的影响 , 发现 Ni 比 V 和 Zr 有更好的致密化效果 ; 观察了 W/ Cu 梯度材料显微结构并对梯度烧结的过程机理进行了初步探讨 。
分布按公式 φ=
(
x d
)
p
计算
,
式中
φ 是任意梯度
层中 W 的体积分数 , x 是相应梯度层的位置 , d 为
梯度层厚度 , p 是成分分布指数 。对于不同的 p
值 , 将有不同的成分分布规律 。本实验分别配制 p
= 0. 6 , 1. 0 , 1. 4 , 1. 8 不同分布指数的 6 层 W/ Cu
作者根据 W 和 Cu 具有明显的熔点及电阻率差 的特点 ,提出了在超高压条件下通电快速烧结 W/
表 1 W 和 Cu 材料室温下的主要物理性质
Table 1 Physical properties of W and Cu at room temperat ure
Material
Densit y / ( kg·m - 3)
Melting point/ K
/
Thermal
expansion
coefficient (10 - 6·K - 1)
/
Thermal
co nductivit y ( W·m - 1·K -
1)
Tungsten 19 300
3 673
4. 5
145
Copper
8 900
1 356
17
400
Elastic modulus
·577 ·
T = k4′·k″J2 ·Z2 + C1 ln Z + C2
当
Z=0时,
d d
T Z
值有限
,
因而
C1
=0;
同时令
T = TCu , TCu是 Cu 侧达到热平衡的温度 。定义 θ
= T - TCu为梯度层的相对过余温度 , 则有 :
θ= T - TCu = k4′·k″J 2·Z2 (0 ≤Z ≤L ) (3) 从式 (3) 可见 , W/ Cu F GM 在通电烧结时 , 将
图 4 所示是 p = 1. 0 , 用 Zr 和 V 作烧结助剂梯 度材料各层的致密化情况 。在第 2 层和最后 1 层的 相对 密 度 比 相 邻 层 要 低 , 原 因 可 能 是 在 第 2 层 (20 %Cu , 体积分数) 由于钨层的高温导致 Cu 从 W 基体挤压流走 。这与文献 [ 11 ] 报道的温度过高时 W2Cu 复合材料密度降低是一致的 。纯铜层较低的 致密度则是其低发热及传导过来热量不足所致 。W 层低的烧结密度是由于其热导率高 , 自身烧结温度 高及烧结时间短所致 。
另一面具有优良导热性及室温塑性的金属铜结合在 一起的复合材料将十分适合作为核聚变装置中的偏 滤器材料[2～4 ] 。但要将 W 和 Cu 这两种性质相差很 大的金属 (如表 1 所示) 结合在一起作为 PFM 会遇 到很大困难 , 首先是二者的热膨胀系数失配 , 造成 在制备和服役过程中 W2Cu 的界面上产生巨大的热 应力 , 进而导致裂纹的产生以及材料的失效 。梯度 材料的概念被认为是解决这一问题的最佳途径之 一[5 ] 。其次 , 由于 W 和 Cu 的熔点相差约 2 300 ℃, 二者没有重叠的烧结温度区 , 因而常规热压烧结无 法制备此类梯度材料 。已报导比较成功的 W/ Cu F GM 制备方法是钨骨架渗铜法[6～10 ] , 但这种工艺 的缺点是钨骨架的孔隙分布很难控制 , 不易获得成 分分布从 0～100 %的严格意义上的梯度材料 。
产生沿厚度方向呈梯度分布的温度场 , 温度分布大
致与电流密度和厚度 (从 Cu 到 W) 的平方成正比关
系 。换言之 , 控制梯度材料的电阻分布及调节烧结
输入的电流 , 可以实现具有高熔点差梯度材料 , 如
W/ Cu 梯度材料的梯度烧结 。
图 1 W/ Cu F GM 分析模型示意图
Fig. 1 Analytical model of W/ Cu F GM
量衡算 , 则 : a. 由热传导方式在 Z 处平面输入的热能为
πR2 qz | z , 在 Z + △Z 输出的热能为πR2 qz | Z + △Z 。 b. △Z 微元电能耗散产生热能的速率为πR2·
△Z·J 2·ρ, J 是电流密度 。 当达到稳态热平衡时 , 有 πR2 qz | Z + △Z - πR2 qz | z +πR2·△Z·J 2·ρ= 0
F GM 。测定各层的烧结密度时 , 每层用石墨纸隔
开。
将压制好的 W/ Cu 梯度材料生坯与石墨密封 片 、增压片及叶腊石组成样品组合 , 将组合好的样 品置于高压腔内 , 加压烧结 。烧结过程工艺参数 为 : 压力 5 GPa , 通电功率约 13 kW (7. 2 V , 1 800 A) , 时间 40 s。
图 2 实验装置示意图
Fig. 2 Schematic illust ration of experimental set2up
1 , 2 —Steel and grap hite platelet ; 3 —Pyrop hyllite sleeve ; 4 —Pressurized orientation ; 5 —Anvil of WC2Co hard alloy ;
d2 T dZ
+1 ·d Fra bibliotekdT Z
-
kk″′·J2 = 0
(2)
对上述微分方程进行积分得
dT dZ
= 2kk′″J2·Z +
C1 Z
从上述推导过程的假设出发 , 设计了烧结 W/ Cu F GM 的实验装置 , 如图 2 所示 。烧结装置主要 由碳化钨硬质合金压头 、高压模具 、附属电源和液 压系统组成 。
6 —W/ Cu green compact
W/ Cu F GM 尺寸为 d20 mm ×10 mm 的柱坯 , 侧面用叶腊石包覆 , 叶腊石充当烧结过程的绝缘 、 隔热和传压介质 。用石墨片和铁片置于柱坯端面作 为密封和增压介质 。烧结时电流经过压头 、增压片 及密封片从梯度材料的厚度方向通过 。
烧结样品经表面抛光处理后 , 用 Archimedes 排 水法测定密度 ; 样品经切面抛光后用扫描电子显微 镜及能谱分析材料的微观结构和元素分布 。
果 。可以看出 , 随着铜含量的增加 , 材料的致密化 程度提高 , 到纯铜层时 , 几乎已完全致密 。另外 , p 值增大 (即梯度材料中高电阻率 W 的总量增大) , 富铜端的致密化程度相对提高 , 这可能是通电烧结 时发热量增大从而提高烧结温度的缘故 。
第 11 卷第 4 期 Vol. 11 No . 4
The
中国有色金属学报 Chinese Journal of Nonferrous
2001
Metals
Aug.
年8月 2001
[ 文章编号 ] 1004 - 0609 (2001) 04 - 0576 - 06
2 实验方法
无关 , 而只与轴向 Z 有关 。 2) 忽略辐射传热 , 只在 Z 方向有热传导并遵
从一维傅立叶 ( Fourier) 定律 。 3) 电阻率与温度变化无关 , 但在 Z 方向呈线