爆炸復合Cu/Al層狀復合材料界面結合特性研究

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金屬層狀復合材料由于其優異的綜合性能受到國內外學者的廣泛關注，其制備方法主要有：爆炸復合法、軋制法、擴散焊接法、爆炸+軋制復合法等，由于選用的組分不同、規格尺寸不同，所采用的制備方法也將不同。爆炸復合法可用于兩種或兩種以上屬性差異極大的金屬之間的復合焊接，并且能夠實現大面積、多層板材一次性復合。另外，爆炸復合還具有工藝簡單、設備要求低、投資少收益快的優點[1]。

銅(Cu)為稀缺金屬，屬于戰略資源，我國每年需要進口大量的銅材。為了解決Cu資源日益匱乏與需求不斷增長的矛盾，探尋一條在保證性能滿足需求并大量節約Cu使用的途徑已是迫在眉睫，Cu/Al層狀復合材料同時具備了Cu的高導電性能、高導熱率、低接觸電阻以及鋁(Al)的質輕、耐蝕等優點，近幾年來受到國內外學者的廣泛關注。上海電纜研究所黃崇祺院士在中國銅加工技術與應用論壇上指出，“以鋁節銅”已是大勢所趨[2]。鑒于此,本文對采用爆炸復合工藝制備(Cu/Al)層狀復合材料的界面結合特性做出研究。

1 實驗方法

采用純鋁板（1060）為基板，規格為：300mm×300mm×8mm，成分組成如表 1所示；純銅板（T2）為復板，規格為：350mm×350mm×3mm，成分組成如表2所示。基、復板接觸面均采用鋼絲刷打磨并平行放置，間隙為6mm，選用炸藥爆速為2200m/s，鋪藥厚度為25mm。

表1 1060鋁板成分組成

表2 T2銅板成分組成

2 實驗結果與討論

圖1為爆炸復合所得Cu-Al復合材料界面形態微觀圖，可以看出復合材料界面總體呈波形形態，并且在Al側出現了明顯的包覆于內部的溶區。以平行狀態放置的基、復板，炸藥起爆后賦予了復板極高的運動速度，與基板碰撞后界面處形成的射流清理了金屬表面，暴露出的新鮮金屬在爆炸波的作用下形成了波形界面；在波形界面上，由于碰撞過程中產生了大量的熱，致使熔點較低的Al層表面發生了溶化，而且碰撞導致界面兩邊金屬表面發生塑性變形，Al層表面金屬在流動中將溶區包覆在內部。

圖1 Cu-Al復合材料界面形態微觀圖

如圖2a所示，可以看出復合后界面Cu側出現了少量鋸齒狀結構，將其中紅色線框圈定區域不斷放大，如圖2b、c、d，可以明顯看出該齒尖部分與原本的波形界面可分為兩部分，出現這種現象的原因是金屬Al在流動過程中將Cu表面的部分Cu金屬卷帶，由于溶區的存在導致在Cu側波峰的位置回流。

圖3為復合材料垂直于界面顯微硬度分布情況，可以看出界面處顯微硬度遠高于Cu、Al層顯微硬度的平均值，出現這種現象的原因為由于基、復板在碰撞過程中產生了大量的熱，導致界面處部分金屬產生熔化，出現了固溶組織。另一方面，通過對基、復板木材的顯微硬度進行測定，發現Cu、Al板的平均顯微硬度分別為95.1HV、34.8HV，爆炸復合后Cu、Al層顯微硬度的平均值分別為109.9HV、40.7HV，可以看出爆炸復合后Cu、Al層顯微硬度均有所升高，這是因為在復合過程中，基復板均產生了一定的塑性變形，從而引起變形強化。

圖2 復合材料界面鋸齒狀結構

圖3 Cu/Al復合材料垂直于界面顯微硬度分布情況

3 結論

3.1 通過爆炸復合成功制備出的Cu/Al復合板，板型平整、結合緊密。復合板材以波形結合界面為主，波形界面上存在部分鋸齒狀結構，靠近Al側界面上出現熔區。

3.2 爆炸復合后，Cu、Al側平均顯微硬度比母材分別提高了14.8HV、5.9HV，且顯微硬度從表面向界面呈遞增趨勢，界面處顯微硬度達到111.3HV。