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)、良好的高溫強度和抗電弧燒蝕性能，在電氣工程、機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、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。

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行混合、成形，并在銅熔點以上的某一溫度下進行燒結(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［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、抗彎強度等力學(xué)性能好的優(yōu)點。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、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、熱應(yīng)力分析及制備工藝等仍是該類材料的研究重點，其應(yīng)用開發(fā)主要處于基礎(chǔ)性試驗階段。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。

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 ℃ 的熔點遠高于銅 2593 ℃ 的沸點，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)彈噴管喉襯及燃氣舵等高溫領(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。

來源：中國知網(wǎng)    作者：劉克明

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