鎢銅復合材料制備技術的發展與應用*

徐　竹

(西安航空職業技術學院，陜西 西安 710089)

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鎢銅復合材料制備技術的發展與應用*

徐竹

(西安航空職業技術學院，陜西 西安 710089)

介紹了熔滲法和復合粉末燒結法制備鎢銅復合材料的制備技術，研究了具有良好導電性、導熱性和耐高溫等優良性能的鎢銅復合材料在真空開關電器、電子封裝、固體火箭發動機喉襯和燃氣舵等方面的應用。

鎢銅復合材料；熔滲法；復合粉末燒結法；應用

鎢銅復合材料是一種由鎢和銅組成的既不相互固溶也不形成金屬間化合物的一種復合材料，通常稱為假合金[1-2]。鎢和銅元素之間的弱交互作用使它們在復合之后兼容了鎢、銅的優點，既具有鎢的高熔點、耐電弧腐蝕、抗熔焊性能和抗侵蝕能力，又具有銅的優良導電性能，可用作大規模集成電路和微波器件中的散熱元件，能有效延長電子元件的使用壽命。鎢銅復合材料利用銅在高溫下揮發形成的發汗制冷作用，可降低鎢銅表面溫度，能夠保證在高溫極端條件下使用。在航空航天中，主要應用在導彈、火箭發動機的噴管、燃氣舵、空氣舵和鼻錐等部件。

1　鎢銅復合材料制備技術

1.1熔滲法

熔滲法是將純鎢粉或摻入部分銅粉的混合粉壓制成壓坯后，在高溫下燒結形成內部連通的鎢骨架，然后利用外加壓力使銅熔化后，滲入到鎢骨架的孔隙中，形成較致密的鎢銅復合材料。

高溫燒結制備鎢骨架是應用較早、較為廣泛的鎢骨架制備工藝。鎢骨架內有較多的閉孔，復合材料相對密度較低，而且鎢骨架燒結時易發生收縮變形。為了獲得良好的熔滲效果，常使用涂層技術、添加合金元素或提高熔滲溫度等方法來改善潤濕性，或者通過加壓來實現熔滲。王利劍等[3]采用流延成形-熔滲燒結法，以銅包鎢復合粉末為原料，經過膠體的流延成形、脫膠、預燒、預壓和熔滲燒結，制備出相對密度達98.8%的WCu20合金薄板，其組織呈現銅相均勻填充在鎢顆粒周圍的網絡狀分布，具有高于相應的國家標準的電導率、熱導率和硬度。孫祥鳴等[4]根據燃燒合成體系采用超重力燃燒熔滲方法制備出組織致密，且鎢顆粒體積分數呈梯度分布的鎢銅合金。周張建等把W/Cu梯度適配層與純鎢連接在一起，制成完整的W/Cu功能梯度材料。齊艷飛等[6]也研究了鎢骨架滲銅法、焊接法制備W-Cu功能梯度材料。許龍山等[7]采用添加藍鎢的還原燒結工藝，制備了鎢骨架，熔滲后W-Cu組織致密度大，熱導率好。

1.2復合粉末燒結法

隨著納米科技的發展，粉末越細，燒結溫度越低，越容易實現致密化。采用超細或納米鎢銅復合粉，可以在較低溫度下直接燒結制得近全致密度鎢銅復合材料。郭鑫峰等[8]研究了采用噴霧干燥-鍛燒、還原工藝制備W-30Cu納米復合粉末液相燒結致密化與晶粒長大機制，在液相燒結15～120min，W-30Cu復合粉末在燒結過程中，鎢晶粒不斷長大球化，使細晶W-Cu獲得近全致密。郭查峰等[9]利用溶膠-噴霧干燥法制備了鎢銅納米復合粉末，研究結果顯示，隨燒結時間延長或燒結溫度升高，鎢銅復合材料更加致密。

復合粉末直接燒結法中最重要的是制備出燒結性能好的超細(或納米)鎢銅復合粉。在粉末的制取方法中，研究較多的還有機械合金化法和共還原法。

機械合金化是將鎢、銅等元素粉末在高能球磨機中進行高能球磨，通過高能球磨反復地破碎、冷焊、再破碎和再冷焊，達到鎢與銅的機械合金化，使鎢銅復合粉均勻分布和極度細化，甚至形成納米晶。高翔等[10]采用熱機械合金化法，以鎢粉和CuO粉為原料，在空氣氣氛下高能球磨制備納米晶W-Cu復合粉末，球磨粉末還原后有較高的燒結活性，1 200 ℃燒結后W-Cu復合粉末相對密度可>97%。范景蓮等[11]采用溶膠球磨法制備W-10Cu、W-20Cu復合粉末，研究了球磨工藝對W-Cu復合粉末粉末粒度、形貌和燒結性能的影響。

共還原法是將鎢和銅的氧化物或鹽類混合物簡單球磨細化，或者采用鹽類的混合溶液獲得超細或納米晶的鎢銅化合物的混合粉，然后在氫氣中還原得到超細或納米晶的鎢銅復合粉。劉舒等[12]以鎢酸鈉和硝酸銅為原料，采用水熱合成-共還原法，制備粒度尺寸約為70nm且顆粒分布均勻的納米級鎢銅復合粉末，通過真空熱壓燒結法制備鎢銅復合材料。趙晶晶等[13]采用水熱合成-共還原法制備W-20%Cu復合粉體，通過氫氣還原成為典型的銅包鎢結構的鎢銅復合粉體，呈規則球形，晶粒度約為70nm，鎢銅分布均勻。

納米鎢銅復合粉末的顆粒小，活化性大，在燒結中極易長大。目前，還有把機械球磨與還原相結合制備超細鎢銅復合粉末。段柏華等[14]采用WO3與CuO粉為原料，以高濃度濕磨法制得CuWO4-WO3前驅體粉末，再通過氫氣還原獲得超細W-Cu復合粉末，該復合粉末細小，分散均勻，還原溫度對其形貌影響不大；而直接還原超細WO3-CuO混合粉末所得的W-Cu復合粉末由大量W-Cu納米顆粒構成，隨還原溫度升高，納米W-Cu顆粒會逐漸長大。

殷婷等[15]采用放電等離子燒結工藝制備Cu-W-TiC復合材料，添加3%TiC后，復合材料的致密度和硬度有所提高，電導率有所下降。放電等離子燒結(SparkPlasmasintering，SPS)是新一代的燒結方法，它結合了活化燒結和熱壓燒結的優點，加熱均勻，升溫速度快，燒結溫度低、時間短，生產效率高，產品組織細小均勻，能保持原材料的自然狀態，可以得到高致密度的材料、燒結梯度材料以及大型工件等復雜材料。

1.3其他制備方法

近年來，在制備高性能鎢銅復合材料方面出現了一些新的工藝技術，如快速定向凝固技術、電弧熔煉法、特定結構法、纖維強化法和功能梯度法等；另外，熱氣流霧化、熱化學法等先進制粉技術也有望在制備納米鎢銅復合粉上取得突破。

2　鎢銅復合材料的應用

2.1電觸頭材料

目前，鎢銅復合材料的主要用途是電觸頭，特別是高壓及超高壓開關電器的觸頭。電觸頭材料在開關電器中的功能是在電路中接通和斷開電流，是儀器儀表、電器開關中非常重要的接觸元件。羅昊等[16]采用熱壓燒結熔滲法制造3種銅鎢合金觸頭，CuW50、CuW70和CuW80等3種合金的連續相不同，隨著鎢含量的增加，密度及硬度增加，而電導率顯著下降。吳婷[17]利用粉末冶金法制備了銅基電接觸材料銅鎢碳化鎢/銅雙層產品，CuW/WC復合材料兼有銅的高電導率、高熱導率，鎢的高熔點、高比重、抗電蝕性、抗熔焊性和高的高溫強度，以及WC的高熔點、高硬度性能。王瑞娟等[18]研究高壓和真空銅基觸頭在材料及制備工藝等方面的發展趨勢。

2.2微電子技術應用

由于鎢銅復合材料具有較高的熱導率、電導率，近年來在大規模集成電路和大功率微波器件中得以應用。作為電子封裝材料，鎢銅復合材料的高導熱及耐熱性使微電子器件的使用功率大大提高，并使器件小型化。其熱膨脹系數可以與微電子器件中硅片、砷化鎵等半導體材料及管用陶瓷材料很好匹配連結。任淑彬等[19]主要針對滿足大功率微波器件散熱要求而開發的金屬基復合材料的發展及制備進行研究，我國W-Cu傳統電子封裝材料的制備與應用技術己非常成熟，并形成了工業化生產[20-21]。

2.3高溫用鎢銅復合材料

鎢銅復合材料廣泛用于固體火箭發動機噴管、喉襯、燃氣舵、護板和緊固件等，尤其是在喉襯、燃氣舵上的應用比較成熟，己經形成了相應的標準[22]。燃氣舵、噴管喉襯等固體火箭發動機的關鍵部件，它們的工作環境十分惡劣，在點火瞬間承受的溫升約為2 000 ℃/s，工作溫度通常約為3 000 ℃。鎢銅復合材料在高溫3 000 ℃或更高溫度時兩相組織中所含的銅將發生汽化而吸收大量的熱量，從而能顯著降低鎢銅器件表面的溫度，使其能在高溫環境中使用。例如，這種高科技及軍事國防用鎢銅復合材料要求材料能夠耐高溫、抗熱震、耐沖刷，這類應用一般采用ω(Cu)=5%～10%的鎢銅復合材料，鎢骨架孔隙有很好的連通性和良好的毛細作用，以保證在高溫使用時，銅既能很好的氣化而又不造成過快揮發損失。

3　結語

作為一種重要的粉末冶金復合材料，鎢銅復合材料因具有一系列優異的性能得到廣泛應用。隨著現代科學技術的發展，高度彌散、納米化粉末制備技術，新型壓制技術以及快速燒結技術的引入，使獲取綜合性能更為優異的高致密鎢銅復合材料成為可能，這必將進一步擴大鎢銅復合材料的應用領域。

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*西安航空職業技術學院2014院級精品資源共享課程基金資助項目(2014JZ07)

責任編輯鄭練

DevelopmentandApplicationofPreparationTechnologyofTungstenCopperCompositeMaterials

XUZhu

(Xi’anAeronauticalPolytechnicInstitute,Xi’an710089,China)

Mainlyintroducetheinfiltrationandcompositepowdersinteringmethod,andtheresearchstatusoftungstencoppercomposites.Thetungstencoppercompositematerialwhichhasgoodelectricalconductivity,thermalconductivity,resistancetohightemperatureandexcellentperformanceofarereviewedinvacuumswitch,electronicpackaging,solidrocketnozzlelining,gasrudder,etc.

tungstencoppercomposite,meltinfiltrationmethod,compositepowdersinteringmethod,application

TB 33

B

徐竹(1982-)，女，碩士，講師，主要從事復合材料成型技術等方面的研究。

2016-01-08