[科普中国]-高导电性铜

简介

铜具有高的导电性、导热性、耐磨蚀性能及优良的工艺性能，因而广泛地应用于电力、电工、机械制造等工业部门。但是纯铜的屈服强度一般较低，高温下抗变形能降低,难以满足多种实际应用的需要。因此，如何在不降低或尽可能少降低铜电导率的前提下,大幅度地提高铜材料强度的问题已成为当前铜合金研究和发展的中心任务之一。

长期以来，在铜材料的研究和制备中存在着高强度和高导电性之间的矛盾。这一矛盾甚至贯穿于整个导电材料研究的始终。为了解决这一问题，主要从两个方面入手：一方面是强化铜基体；另一方面是设法在铜基体中引入第二相进行强化。相应地形成了两类制备方法：合金化法和人工复合材料法1。

合金化法合金化法是制备高强度高导电性铜材料的基本方法之一。即通过在铜基体中添加一定的合金元素，以形成固溶体或过饱和固溶体。使铜基体发生晶格相变或时效析出强化相，从而获得高强度和高导电性能兼备的铜合金。合金化法的基本原则有：

1.低合金化和冷作硬化。加入的合金元素总量要少，且这些元素很少降低铜的电导率；

2.时效强化。在加入起沉淀强化作用的元素时，最好使合金元素之间形成不含铜元素的强化相。而且这种强化相在墓体中的固溶度随温度的降低而急剧减小。合金元素的选择及其熔铸工艺成为合金化法的关键2。

人工复合材料法为了克服合金化法制得的铜合金强度提高不大的不足，人们又广泛研究了人工加人第二相的颗粒、晶须、纤维对铜基体进行强化，或依靠强化相本身强度来增加铜材料强度的人工复合材料法。按照制备复合材料方法的主要特征，其大致可分为两类：粉末冶金法和塑性变形法。

粉末冶金法该方法是生产铜及铜合金结构件、摩擦材料、铜碳刷及高电导率铜的重要方法。为了进一步得到高导电性、高强度特别是高温强度的铜材料，近年来迅速发展的氧化物弥散强化（Oxide Dispersion Strengthened）铜。

高的导电导热性能、优良的抗腐蚀性能、简单的生产工艺和良好的高温强度使氧化物弥散强化铜获得了广泛应用。由于受到制备方法的限制，ODS铜主要应用在制造电阻焊焊条、白炽灯引线、继电器刀闸及触头支承、某些高性能集成电路的引线框架等一些小型件上。

塑性变形法众所周知，纤维强化是金属材料迄今为止最为有效的强化方法之一。高强度的第二相纤维成为载荷的主要承担者，基体金属仅起着连接纤维相，向纤维传递受载时应力及在部分纤维断裂时承担局部载荷的作用，材料强度主要取决于纤维相的强度及体积分数。正因为如此，采用塑性变形法制备纤维增强高强度高导电性铜材料的研究，成为近年来继合金化法及氧化物弥散强化法之后又一引人注目的方法。

综上所述，合金化法虽然可以使铜材料电导率达到很高，但其固溶强化、时效强化及少量的冷作硬化效果往往有限，铜材料强度一般较低；人工复合材料法尽管可以在相当大的程度上提高铜材料的强度，却往往由于材料内部缺陷严重、导致导电性能恶化，再加上制备工艺的限制，该方法一般只适合于一些高导电性特别是高强度的小型件的制造3。

高强度高导电性铜合金的研究展望随着复合材料技术的发展，自生复合材料得到了迅速发展，该材料以其独特的优点在高强度高导电性铜合金材料的制备方面显示出巨大的应用潜力和良好的发展前景。所谓自生复合材料，是指共晶合金、包晶合金或偏晶合金等复相合金在定向凝固过程中，通过合理地控制工艺参数，使基体相和增强相均匀相间、定向整齐排列的一类复合材料。在高强度高导电性铜合金材料的制备方面，自生复合材料至少具有以下优点：

1.均匀、定向排列的第二相纤维使第二相的强化作用得到最大发挥；第二相是在凝固过程中自动析出，两相界面结合强度高，有利于应力从基体向纤维传递；两相是在高温接近热力学平衡条件下缓慢生长而成，界面处于低能面状态，因而具有良好的热稳定性。因此自生复合材料机械性能高。

2.自生复合材料电导率具有各向异性，当电流方向与纤维排列方向一致时，可有效地增加材料的电导率。纤维在凝固过程中自动生成，避免了大塑性变形对导电性能的不良影响；自生复合材料无人工复合材料中常常存在的界面润湿及化学反应等不足，提高了材料的完整性，这些都减小了铜电导率降低的程度。

3.定向凝固方法易于与连续铸造相结合，可大幅度降低铜合金材料的生产成本，特别适于如各种电线电缆铜材的制造。

定向凝固法制备自生复合材料时，基体相和吸化相在单向热流的控制下逆着热流方向自动向前生长。在此过程中，固-液界面的控制占有重要地位。凝固理论指出，只有平界面和胞状界面才可能保证共，晶组织的获得1。