钨 铜 复 合 材 料 姓名：熊军 班级：无机一班 学号：099024234 摘 要: 钨铜复合材料具有高导电导热性、抗电弧烧蚀性与高温稳定性等优异特点, 在电子器件与耐高温器件中具有很好的应用前景。 对当前钨铜复合材料的最新研究成果进行了分析, 介绍了当前钨铜复合材料的应用、制备和致密化技术, 对钨铜复合材料的进一步应用与发展进行了展望。 Pick to: tungsten copper composites with high electric and thermal conductivity, the arc erosion resistance and high temperature stability and other outstanding features, in an electronic device with high temperature resistant device has good application prospect. The tungsten copper composites of the latest research results were analyzed, introduced current tungsten copper composites, preparation and densification technology, tungsten copper composites for further application and development prospects. 关键词: 钨铜复合材料; 制备方法; 应用领域; 高性能 0 引 言 钨铜复合材料具有耐电压强度高和电烧蚀性能低的特点, 自从20 世纪30 年代首次研制成功后, 便逐渐成为高压电器开关的关键材料。 到了20 世纪60 年代, 钨铜复合材料逐步开始被用作电阻焊接、电加工的电极材料和航天技术中的耐高温零部件材料等。 20 世纪90 年代后, 随着大规模集成电路和大功率电子器件的发展, 钨铜复合材料作为升级换代的产品开始大规模被用作电子封装和热沉积材料,同时, 钨铜复合材料还作为导弹喷管材料和破甲弹药型罩材料, 成功地被应用到军事工业中。 随着电子工业的进一步发展, 对高性能钨铜复合材料的需求越来越迫切。 经过了几十年的研究和发展, 钨铜复合材料的制备技术取得了很大进步, 一些新工艺、新技术也已在生产中推广和应用, 但怎样制备出性能更为优异的新型钨铜材料仍是钨铜材料研究中十分重要的课题, 其制作工艺仍需要进行更为深入地研究 。 本文对当前国内外钨铜复合材料的最新研究成果进行了总结, 并在调研、分析的基础上介绍了当前钨铜复合材料的应用、制备和致密化技术, 叙述了各种工艺及其特点, 并对钨铜复合材料的进一步应用与发展进行了展望。 1 钨铜复合材料的制备方法 1.1 高温液相烧结法制备钨铜复合材料 高温液相烧结法, 是将钨粉和铜粉按一定比例进行配料、混合( 同时加入润滑剂) 、成形, 并在铜与钨熔点之间的温度下进行材料的烧结和致密化的钨铜复合材料制备方法。 这种方法的特点是生产工序简单易控, 但烧结温度高、烧结时间长、烧结的性能较差, 复合材料烧结致密度只为理论密度的90% ~95%, 很难得到高致密度的钨铜合金。 这是由于在普通状态下液相铜在钨表面的润湿性不好, 所以在采用普通的/ 粉末混合+ 成型+ 烧结0工艺制备钨铜合金时, 其烧结致密化过程不会发生Kingery 理论中的溶解析出机制, 而主要是由颗粒的重排机制所控制。 人们为了提高这种方法的烧结致密度, 就不得不增加复杂的烧结后处理工序, 如复压、热锻、热压等,从而增加了制备工艺的复杂性, 使这种制备方式的应用受到一定的限制。 1.2 熔渗法制备钨铜复合材料 熔渗法, 是先制备出一定密度、强度的多孔钨颗粒骨架, 再利用金属铜液在毛细管力作用下沿钨颗粒间隙流动并对多孔钨骨架进行填充和润湿的方法。 用熔渗法制备高钨钨铜复合材料的优点是致密度高, 烧结性能好, 热导和电导性能好, 缺点是熔渗后需要进行机加工以去除多余的渗金属铜, 增加了机加工费用, 降低了成品率。 熔渗法对进一步改善复合材料的韧性有一定好处, 因此, 熔渗法是目前制备高钨钨铜复合材料应用最为广泛的方法 。 1.3 活化液相烧结法制备钨铜复合材料 钨铜复合材料的活化液相烧结, 是指在钨铜复合材料中加入Co、Ni、Fe、Pd 等第三种活化金属元素来促进与改善钨铜复合材料烧结过程的一种特殊方法。 通过添加Ni、Pd 等元素, 能提升钨在铜液相中的溶解度, 使铜对钨的浸润性得到明显改善, 相对致密度得到提高。 通过添加Co 或者Fe, 能够促进固相钨颗粒之间的烧结, 使钨铜复合材料相对致密度、断裂强度和硬度会出现快速增加。 但遗憾的是, 活化剂的加入会影响钨铜复合材料的热导、电导性能, 这对导热、导电性能要求较高的电子材料来说是极为不利的, 所以该方法一般只应用于对热导、电导性能要求不高的钨铜复合材料的制备上。 2 W．Cu复合材料的显微组织结构 图3-13(a)、(b)、(c)和(d)所示为W-20Cu复合粉末经350Mpa冷压成型后分别在1050"C、1 100"C、1150"C和1200"C下烧结90rain的金相组织照片，(e)和(f)分别是W-15Cu和W-30Cu在相同成型压力下1200"C烧结90min的金相组织照片。图3．13所有图片均为侵蚀后的试样金相照片，由于侵蚀液三氯化铁盐酸溶液侵蚀对象是Cu，所以图中浅色组织为w相，深色组织为侵蚀后的Cu相和孔隙。从图中可以看出，不同烧结温度的W．20Ch复合材料烧结体的金相显微组织相似，即W相和Cu相相间分布，Cu相分布在W相周围，这充分体现了W-Cu系液相烧结致密化的特点，即通过液相烧结时铜液相形成的毛细管力促进W颗粒重排和填充孔隙实现致密化。从(a)图中可以看出，在1050℃下烧结的样品Ql相分布不均匀，并且存在大量Cu池现象(图中箭头所示)，这是因为该温度偏低，Cu液相量相对较少，扩散不充分，所以孔隙不容易被填满，W颗粒之间容易接触而长大；同时在较低的温度下W、Cu之间的润湿性差，也不利于烧结致密化。而在l100"C下，W、Cu相分布已经相对均匀，Cu池现象大大减少。对比(c)图和(d)图，1150℃和1200℃烧结的金相组织比1100℃的致密性更好，W、C!ll相分布更加均匀，同时也可以看出1200℃烧结过后样品中的W晶粒尺寸相比较于1150℃有略微长大，同时W．W之间的连接增加。从(c)图和(f)图也可以看出W-15Cu和W-30Cu在1200"C烧结也获得了均匀的组织结构，致密化效果较好。 3 W．Cu复合材料的性能 3.1W．Cu FGM的导热性能 图6．6为不同层数W-Cu梯度复合材料的热导率。从第三章分析知道，影响W℃u复合材料热导率主要有两个因素，一是W-Cu复合材料的致密度。致密度越低，孔隙率越高，材料的导热能力越差：二是Cu在W基体中是否形成了较为理想的网络结构，这种网络结构可以为W-Cu复合材料提供良好的导热通道，大大提高W-Cu复合材料的热导率。通过本章前面对FGM致密化和显微组织分析知道，三层和四层结构梯度材料的致密度都达到了较高水平，从图6-6中可以看出，三层和四层梯度材料的热导率分别达到198 W·m1K-1和202W·in"1K．1，均介于封装层和散热层热导率之间，获得了较高的导热性能。 3.2 W-Cu FGM的抗热震性能 将三层和四层结构的FGM样品置于SP-dX-4．9型中温箱式电阻炉中，加热至800"C，保温10min，取出后放入冰水混合物中急冷，经表面形貌观察，材料表面及界面处没有发现裂纹和开裂现象。这说明所制备的两种W℃u梯度复合材料均具有良好的抗热震性能。 3.3 W-Cu FGM的热疲劳性能 在800"C温差下急冷，多次循环，直至样品出现裂纹或被破坏。表64是不同结构的FGM样品热循环开裂周次。

从表中可以看出，四层结构梯度材料的热疲劳性能比三层的提高校多。实验中还发现·热疲劳裂纹总是最先出现在梯度材料的两端：三层结构梯度材料在经过86次热循环后首先出现裂纹或开裂的是在过渡层与散热层交界面的边缘位置，如图6-7(a)所示；而四层结构的梯度材料在经过143欢热循环后裂纹位置出现在中间两过渡层之间的结台面的端面址，如图6．7㈣所示。其原因是两中结构的梯度材料的最大热应力都在界面边缘出，与热应力模拟结果一致。

4 结论与展望 钨铜复合材料虽然已被广泛应用于工业生产的许多方面,其制备新工艺、新技术也日趋成熟,但仍存在一些亟待解决的问题。其中,最重要的一点便是目前很多高性能钨铜复合材料虽然能够在实验室中研制成功, 但离真正意义上的工业化生产还具有一定的距离。因此,开发出简单易行的钨铜复合材料制备技术将是未来钨铜复合材料制备工艺研究的热点。近年来, 随着超细粉末制取工艺的发展, 采用共还原超细钨铜混合化合物制得超细钨铜混合粉末,以及采用高能球磨工艺制取纳米晶钨铜混合粉末等新工艺的出现, 使得超细粉末制备钨铜合金的优势逐渐得到体现。由超细钨铜粉末制备的钨铜复合材料具有非常高的致密度和高的导热、导电性能, 具有按传统常规方法制备的钨铜复合材料所无法比拟的优点。 这是因为超细粉末具有一系列优良的特点: 如粉末的晶粒细小( 100 nm 以下) ,比表面积大, 粉末之间的接触界面大, 表面活性大, 烧结驱动力大, 烧结温度低且致密化快等, 这也使得直接一次性烧结制备高密度钨铜复合材料成为可能。 由于这种工艺改变的只是粉末原料, 而对其他制备工艺如压制成型与烧结方法尚无太高的要求, 因此研究超细钨铜混合粉制备高性能钨铜复合材料将是一条较有前的规模化生产高性能钨铜复合材料的途径, 它的实现将进一步扩大钨铜复合材料的应用领域, 大大提高我国钨铜合金及元器件工业制备技术的水平,并可充分发挥我国钨资源丰富的优势。 参考文献: 1 黄强, 顾明元, 金燕萍。 钨铜复合材料的研究现状。 材料导报, 2000, 14( 9) : 28- 32。 2 陈文革, 谷臣清。 封装用钨铜材料的制备技术 。 电器技术, 1997, 20( 2) : 12- 17。 3 陶应启, 王祖平, 方宁象, 等。 钨铜复合材料的制造工艺 。 中国钨业, 2002, 20( 1) : 49- 51。 4 吕大铭。 钨基高密度合金强化研究的动向和进展 。 稀有金属材料和工程, 1998, 27( 增) : 20- 25。 5 吕大铭。 我国的钨铜、钨银材料的应用与发展 。 中国钨业, 1999, 14( 5P6) : 182- 185。 6 王志法, 刘正春, 姜国圣。 W-Cu 电子封装材料的气密性。 中国有色金属学报, 1999, 9( 2) : 323- 326。 7 宋贞桢．w℃u纳米复合粉体及合金的制备．北京科技大学硕士学位论文，2004． 8 范景莲．钨合金及其制备新技术．北京：冶金工业出版社，2006：1-2． 9 范景莲，彭石高，刘涛，等．钨铜复合材料的应用与研究现状阴．稀有金属与硬质合金，2006，34(3)：30-35． 10 李云平，曲选辉，段柏华。W-Cu(Mo-Cu)复合材料的最新研究状况．硬质合金，2001，18(4)：232．236．