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比氧化铝更强?提高铜合金性能的好帮手--氧化钇,熊猫信息网
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比氧化铝更强?提高铜合金性能的好帮手--氧化钇
2022年02月10日    阅读量:46537    新闻来源:熊猫信息网  |  投稿

铜是与人类关系非常密切的有色金属,它的导电能力仅次于贵金属银,作为电和热的良导体而被应用于大多数导电领域。但纯铜的质地较软,强度较低,不适合用于电气电子工业某些工况条件下,因此应用上常被制备成高性能铜合金,以提高强度和耐蚀性。


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铜合金


不过随着经济发展,现代工业对铜合金的综合性能提出了更高的要求,因此开发出更高强度、更高传导性能的铜合金成为了研究重点涂料在线coatingol.com。但通常来讲,铜合金的强度和导电性是不能兼顾的,要提高导电性就必然要牺牲强度。要想同时满足这两点,目前商业应用上可采用复合材料法来实现。


01 复合材料法

在众多强化铜合金的优化方法中,复合材料法是重点发展方法。具体是将复合颗粒、各种纤维或晶须等第二相作为增强相,加入到铜基体中,并使其均匀分布,凭借加强强化相自身强度来提高材料整体强度。


虽然弥散分布的强化相粒子会对电子的散射产生一定的影响,从而影响材料的导电性,但是相比较于固溶原子对导电性的影响要小得多。因此复合材料法制备的铜基复合材料可以同时具备高的导电性和高强度。另外,复合材料法还可以根据实际工况需求,选用适当的增强相来提高材料的性能,同时兼顾材料的导电性和强度,获得最优配合效果,可分为弥散强化及纤维强化两种方式。


其中,弥散强化铜基复合材料其实就是通过原位复合或非原位复合的方法,向基体中引入高硬度、高熔点、热稳定性好的氧化物、硼化物、碳化物等陶瓷颗粒来强化铜基体。通过特定的制备工艺,可获得弥散分布的纳米级增强相颗粒,它们热稳定性良好,在接近铜的熔点时也不会溶解或粗化,因此能有效地提高铜合金的室温强度,耐磨性和耐腐蚀性。

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氧化铝铜(Cu-Al2O3)


正因为这一系列优秀的性能,使得弥散强化铜基复合材料在计算机引线框架,连铸机结晶器,电阳阻焊电极,高速电车的架空导线,大推力航天发动机内衬等高端技术领域有着广泛地应用,成为高强高导铜合金(或铜基复合材料)领域的研究热点。


02 选用氧化钇的理由

稀土元素对铜基材料的强化其实有着很重要的意义。它们的化学性质都较为活泼,金属性极强,可以同一切元素发生反应、相互作用(惰性气体除外),极易与氧、氮、硫化合生成化合物,作为添加剂已被广泛应用于工业生产中。


但是稀土元素是无法和Cu形成间隙或置换固溶体的,如此说来稀土元素很难溶于铜,固溶度小,为其他元素首先与稀土元素发生反应提供了条件,生成稀土化合物。因此,稀土元素在铜及其合金中可以起到两方面的作用:①净化作用,可以用于脱氧、脱硫,去除铅、秘等杂质;②微合金化及变质作用,稀土微溶于铜中,并与其它元素反应生成高熔点化合物。

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氧化钇粉体


目前,弥散强化的典型材料是Cu-Al2O3复合材料,Al2O3陶瓷颗粒的热稳定性好,因此高温下颗粒的强化效果不会完全消失。但这类材料的弥散相含量有限,因此其强化效果不如沉淀强化铜合金。而氧化钇(Y2O3)与其它陶瓷颗粒一样在高温下稳定,不会溶解或分解;Y2O3的晶体结构与Al2O3不同,为类萤石结构,在合适的制备条件下能与基体形成共格界面,这为切割强化机制提供可能;Y元素在Cu中固溶度和扩散速率非常低,这阻碍了原位生成氧化物颗粒时的团聚和粗化,有利于形成纳米级Y2O3颗粒,因此Y2O3有可能成为弥散强化铜基复合材料最合适的强化相。


不过,也正是因为Y在Cu中的固溶度小,Y2O3弥散强化铜基复合材料的成分设计变得困难,对此科学家也做了很多研究。如雷源源等采取热压工艺,添加体积分数分别是5%、10%、15%、20%的Y2O3制备Y2O3颗粒增强铜基复合材料。观察其微观组织发现,Y2O3颗粒与基体结合得很致密,由于Y2O3颗粒很小,呈类圆形状,它们之间基本上无裂隙存在。随着Y2O3含量的增加,该系列铜基复合材料的多孔率下降,显微硬度值上升幅度较大,强化效果较好,耐腐蚀性也得到提高。

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不同Y2O3体积分数下(C为0)铜基复合材料断口1000 倍下的扫描电镜图片



03 进阶玩法

如果Y2O3对铜合金性能的增强还不能让你满意,其实它还有进阶玩法。去年年底,日本东北大学针对核融合炉的散热装置用途,在既有氧化钇分散强化铜合金的基础上开发了一项高强度且具有高传导性的铜合金。


通过在氧化钇弥散强化铜合金(Cu-1Y2O3)中添加0.81%的锆粉,以及利用高能水冷球磨与放电等离子体烧结技术,研究团队成功制备出锆钇复合氧化物颗粒弥散强化铜合金(Cu-1Y2O3-0.81Zr)。晶粒内部与晶界处形成高密度的fcc结构Y2Zr2O7复合氧化物,并且均匀分散在铜基体中,可使Cu-1Y2O3-0.81Zr合金维氏硬度较Cu-1Y2O3提高1.5倍,达到243HV;室温屈服应力约为700MPa。


相对于纯铜,新合金的热传导性在室温下约为50%,在500℃时为70%,但经过475℃的热时效处理后,则分别提高到60%、80%。由于已确认钇锆复合氧化物粒子在氧化物分散强化钢铁材料中具有优异的高温稳定性,因此新合金在高温下使用时也可发挥优异的特性,有望适用于高温运作的热导管或热交换器等用途。


资料来源:

液相原位反应制备纳米氧化钇弥散强化铜基复合材料及性能研究,卓海鸥。

氧化钇弥散强化铜基复合材料的研究,刘婧。

氧化钇颗粒增强铜基复合材料的组织与性能研究,雷源源,张晓燕,田琴。


标签:今日头条建材应用技术中心建筑基材建筑材料金属材料
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