納米Al2O3顆粒對CuAl2O3性能的影響

陳渝 屠曉倩 王柳幸 付亞波

摘要：

采用溶膠凝膠法制備納米Al2O3顆粒，通過粉末冶金法制備氧化鋁銅（CuAl2O3）。采用X射線光電子能譜儀、掃描電子顯微鏡、洛氏硬度儀和渦流計分別測試了CuAl2O3的結(jié)合能、微觀組織、硬度和導電率。結(jié)果表明：隨Al2O3顆粒含量的增加，CuAl2O3的硬度先升高后降低，當Al2O3顆粒的質(zhì)量分數(shù)達到0.084%時，CuAl2O3的硬度達到最大值75.73（HRB）。CuAl2O3的導電率隨著Al2O3顆粒含量的增加逐漸下降。Al2O3顆粒的質(zhì)量分數(shù)為0.084%時為最佳值，CuAl2O3的硬度達到最大值，導電率達到69.1%IACS。

關(guān)鍵詞：

CuAl2O3; Al2O3顆粒; 粉末冶金; 溶膠凝膠

中圖分類號： TG 146.1; TG 172 文獻標志碼： A

Effect of Nano-Al2O3 Particles on the Properties of Cu-Al2O3

CHEN Yu， TU Xiaoqian， WANG Liuxing， FU Yabo

（College of Physics & Electronic Engineering， Taizhou University， Taizhou 318000， China）

Abstract：

Al2O3 particles was prepared by the sol-gel method.Cu-Al2O3 was prepared by powder metallurgy.Using X-ray photoelectron spectroscopy scanning electron microscope，rockwell hardness tester and eddy current gauge analyzed the binding energy，micrastructures，hardness and electrical conductivity of the Cu-Al2O3，respectively.The results show that with the increase of Al2O3 particles content， the hardness of Cu-Al2O3 increases first and then decreases.When the content of reinforcing Al2O3 particles reaches 0.084%，the hardness of the Cu-Al2O3 reaches 75.73（HRB）.Then， the electrical conductivity of the Cu-Al2O3 decreases with the increase of Al2O3 particles content.When the mass fraction of Al2O3 particles is 0.084%，the hardness reaches the maximum， and the conductivity reaches 69.1%IACS.

Keywords：

Cu-Al2O3; Al2O3 particles; powder metallurgy; sol-gel

純銅具有高導電性、耐腐蝕性、易回收等特點，但純銅的室溫強度和高溫軟化溫度較低，難以滿足實際應用的需要[1-2]。金屬氧化物具有化學穩(wěn)定性好和硬度高的特點，使用少量的金屬氧化物作為增強相加入金屬基體進行彌散強化可以明顯地改善其力學性能，尤其是高溫力學性能，而且不會明顯地降低其導電、導熱性能。目前在銅基復合材料中添加的增強相有Al2O3，ZrO，Cr2O3，Y2O3和Zr2O3等顆粒。由于Al2O3顆粒生產(chǎn)成本較低、硬度高，較高溫度時能保持其組織穩(wěn)定性，而且在接近銅熔點溫度時仍保持原有的性能和尺寸大小，因此，Al2O3顆粒是目前最常用的增強相[3]。

在銅粉中加入納米級Al2O3顆粒制成的彌散強化銅，CuAl2O3是一種具有高強度、高導電率的金屬復合材料[4]。CuAl2O3具有抗高溫蠕變性好、熱導率高、組織穩(wěn)定、應力不易集中及力學性能穩(wěn)定等優(yōu)點。這種高性能新型復合材料已經(jīng)受到世界各國的關(guān)注，并廣泛用于汽車和摩托車行業(yè)的點焊電極、集成電路引線框架、開關(guān)觸橋等領域。

CuAl2O3的制備方法較多，如內(nèi)氧化法、機械合金化法、化學沉積法等。目前成熟的CuAl2O3的制備方法為內(nèi)氧化法，先制成銅鋁粉末，再通過內(nèi)氧化生成Al2O3，然后再通入H2還原氧化銅，去除雜質(zhì)，最后真空包套熱擠壓得到強化銅棒坯。內(nèi)氧化法制備的Al2O3顆粒粗大、易團聚，成本高，后續(xù)加工易開裂。

本文擬通過溶膠凝膠法制備納米Al2O3顆粒，用粉末冶金法制備CuAl2O3。

1 試驗過程

稱取不同含量的Al（NO3）3·9H2O粉末加入到200 mL蒸餾水中制得Al（NO3）3水溶液，并計算其質(zhì)量分數(shù)。將氨水逐滴滴入劇烈攪拌的Al（NO3）3水溶液中至pH=9。將磨球與沉淀物按質(zhì)量分數(shù)5∶1的比例同時放入行星球磨機進行高能球磨5 h，速度為260 r/min，在CO還原性氣氛中于爐內(nèi)加熱至320 ℃，保溫1 h，形成Al2O3顆粒。將通過上述工藝制備的Al2O3顆粒與銅粉在25 t壓力下壓制成30 mm的圓柱，真空燒結(jié)爐內(nèi)升溫至940 ℃進行真空致密性燒結(jié)，保溫100 min。采用X射線光電子能譜儀（XPS）表征結(jié)合能，采用掃描電子顯微鏡（SEM）表征形貌，采用米淇林LQMQX4L全方位系列行星球磨機進行高能球磨，采用洛氏硬度計測量硬度（HRB），采用FD102型數(shù)字便攜式渦流計測量導電率。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 XPS和SEM分析

圖1（a）顯示，試樣未用氬氣刻蝕前表面存在一定的C，CaO，說明表面有雜質(zhì)存在，而經(jīng)過100 s刻蝕后雜質(zhì)清除，試樣表面只存在Cu，Al和O。Al的結(jié)合能如圖1（b）所示，得到Al的結(jié)合能分別為74.88和77.38 eV，根據(jù)結(jié)合能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，確定為αAl2O3和βAl2O3。說明溶膠凝膠法成功在銅顆粒表面生成了Al2O3，Al2O3已經(jīng)分散在銅基體的表面。原因是Al（NO3）3在320 ℃下分解產(chǎn)生Al2O3[5]。

圖1 320 ℃分解后坯料的XPS譜圖

Fig.1 XPS patterns of billet after 320 ℃ decomposing

圖2（a）是經(jīng)320 ℃加熱分解后的Al2O3粉末的SEM照片，粉末顆粒粒徑為5～40 μm。圖2（b）是銅基體上單個白色的納米尺度的Al2O3顆粒。圖2（c）是銅基體表面的Al2O3顆粒粒徑達到50 nm左右的SEM照片。觀察其微觀形貌發(fā)現(xiàn)，銅基體表面分布著較多的納米尺度的Al2O3顆粒，呈彌散態(tài)分布。壓制成型后，Al2O3納米顆粒仍然呈彌散態(tài)分布為性能的改善奠定了基礎。

圖2 320 ℃分解后Al2O3粉末的SEM照片

Fig.2 SEM images of Al2O3 powders after 320 ℃ decomposing

2.2 Al2O3含量對彌散強化銅性能的影響

在球磨時間、冷加工率、燒結(jié)溫度等試驗參數(shù)一定時，研究不同含量的Al2O3納米顆粒對彌散強化銅的硬度、導電率的影響。

2.2.1 Al2O3含量對硬度的影響

圖3為CuAl2O3的硬度隨Al2O3顆粒含量變化的趨勢圖。從圖3中可以看出，當Al2O3的質(zhì)量分數(shù)達到0.084%時，合金的硬度達到最大值，為75.73（HRB）。在Al2O3含量較低時，隨著Al2O3含量的增加，CuAl2O3的硬度不斷升高，但是Al2O3含量升高到一定值時，硬度降低。Al2O3的強化作用主要有以下兩個方面：Al2O3分布均勻且尺寸達到納米級，阻礙了位錯的運動，形成了Orowan強化;Cu和Al2O3的熱膨脹系數(shù)相近，不易產(chǎn)生裂紋，使強度提高[6]。

圖3 硬度隨Al2O3含量的變化曲線

Fig.3 Variation curve of hardness with Al2O3 content

圖4是Al2O3質(zhì)量分數(shù)為1.2%的CuAl2O3邊界團聚的SEM照片。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，部分Al2O3呈片層狀分布在銅顆粒的邊界，發(fā)生了明顯的團聚，是硬度隨Al2O3含量升高而降低的主要原因。為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，只采用行星球磨技術(shù)還不能使其均勻分布，需要采用稀土修飾Al2O3來強化其均勻分布，來解決CuAl2O3硬度下降的問題。稀土能夠有效地凈化銅合金中的雜質(zhì)元素;對銅合金的力學性能、導電性能也有一定的提高;能有效地提高銅合金的抗氧化性能;和彌散相同時加入復合材料時也能起到很好的修飾作用[7-8]。

圖4 含1.2% Al2O3的CuAl2O3邊界團聚的SEM照片（質(zhì)量分數(shù)，%）

Fig.4 SEM image of boundary agglomeration on

Cu-Al2O3 with 1.2% Al2O3（mass fraction，%）

2.2.2 Al2O3含量對導電率的影響

圖5是Al2O3彌散顆粒的含量對CuAl2O3導電率的影響趨勢圖。從圖5中可以看出，隨著Al2O3含量的增加，CuAl2O3的導電率逐漸降低。當Al2O3的質(zhì)量分數(shù)為0.084%時，CuAl2O3的導電率為69.1%IACS，此時其硬度達到最大值。主要原因是Al2O3顆粒作為第二相強化顆粒，對位錯有釘扎作用，阻礙了位錯的運動，硬度得以提高。但是Al2O3彌散顆粒易引起晶格畸變和其本身增加了對電子的散射，導致CuAl2O3的導電率不斷降低。

圖5 Al2O3的含量對CuAl2O3導電率的影響

Fig.5 Effect of Al2O3 content on

conductivity of Cu-Al2O3

3 結(jié) 論

（1） 用溶膠凝膠法制備了Al2O3增強相。隨著Al2O3含量的增加，CuAl2O3的硬度先升高后降低，當其質(zhì)量分數(shù)達到0.084%時，CuAl2O3的硬度達到最大值75.73（HRB）。

（2） 隨著Al2O3含量的增加，CuAl2O3的導電率不斷降低，當Al2O3的質(zhì)量分數(shù)達到0.084%時，導電率為69.1%IACS，此時硬度達到最大值。

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