湯若梅，楊 剛，吳明霞

(四川大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610065)

0 引 言

近年來，金屬基復(fù)合材料因其高的比強(qiáng)度、比剛度以及良好的耐磨性、耐腐蝕性等特殊性質(zhì)而備受關(guān)注[1-3]。銅及其合金由于具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和良好的耐腐蝕性及抗疲勞性，被廣泛應(yīng)用于電子器件行業(yè)中。然而，由于其機(jī)械性能差，如較低的硬度及強(qiáng)度、耐熱性差、高溫下易軟化變形等，故制約了其應(yīng)用范圍[4-6]。

研究表明，向銅基體中引入增強(qiáng)體可以提高銅基體的機(jī)械性能而不會(huì)降低基體的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，得到的銅基復(fù)合材料具有比銅合金更突出的優(yōu)點(diǎn)[7-9]，這些復(fù)合材料可用作繼電器、接觸器、開關(guān)和電子封裝中的電接觸材料。Y2O3是一種介電固體，具有高折射率、高介電常數(shù)、大帶隙、低吸收及優(yōu)異的電擊穿強(qiáng)度。此外，還具有良好的熱力學(xué)穩(wěn)定性及優(yōu)異的導(dǎo)熱性、耐腐蝕性及抗熱沖擊性能，其獨(dú)特性質(zhì)使其成為銅基復(fù)合材料中廣泛使用的增強(qiáng)材料之一[10-12]。

當(dāng)前，制備銅基復(fù)合材料常見的方法包括機(jī)械合金化法、粉末冶金法、電解共沉積法、內(nèi)氧化法等[13-16]。在各種制備方法中，多物理場活化燒結(jié)微成形技術(shù)(Micro-FAST)由于綠色環(huán)保、成型效率高、燒結(jié)溫度低，是制備銅基復(fù)合材料最有效的技術(shù)之一[17-18]。通過施加大電流、低電壓(上萬安培電流、3～10 V左右電壓)的交流電通過粉末/模具體系，并利用焦耳熱效應(yīng)使粉末體系均勻快速升溫，使粉末體系在多物理場(電場、熱場、力場)耦合作用下，實(shí)現(xiàn)快速成形。目前，雖然有一些關(guān)于Y2O3/Cu復(fù)合材料制備的研究報(bào)道，然而，關(guān)于Y2O3/Cu復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能研究的文獻(xiàn)較少。為此，本文采用Micro-FAST制備Y2O3/Cu復(fù)合材料，研究Y2O3添加量對其微觀組織及性能的影響，以期為Y2O3/Cu復(fù)合材料的制備提供借鑒和參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

使用電解銅粉(紅棕色，平均粒徑25 μm，純度為99.8%)和Y2O3粉(白色，平均粒徑5 μm，純度為99.9%)為原材料，銅粉及Y2O3粉的SEM形貌見圖1。

1.2 樣品制備

將Y2O3粉末含量按0%、0.5%、1%、1.5%、2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))與電解銅粉進(jìn)行配料混合，在罐中加入無水乙醇作為過程控制劑，球料比為10∶1，磨球材料為直徑15 mm的氧化鋯，以150 r/min的轉(zhuǎn)速球磨4 h，球磨后的粉末被置于干燥箱中在90 ℃下干燥1 h。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為Gleeble-1500D熱模擬機(jī)，實(shí)驗(yàn)方法為：將混好的粉末準(zhǔn)確稱量后裝填入石墨模具，將模具置于Gleeble-1500D熱模擬機(jī)的工作腔中，將熱模擬機(jī)的工作腔抽真空至10-2～10-3Pa后，在50 MPa的單軸壓力下以50 ℃/s的升溫速度升至預(yù)設(shè)燒結(jié)溫度600 ℃并保溫3 min，保溫結(jié)束后斷電取出試樣空冷至室溫，最后得到φ8 mm×10 mm的Y2O3/Cu復(fù)合材料燒結(jié)圓柱試樣。

1.3 樣品表征與性能測試

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，利用阿基米德排水法測試試樣的相對密度；用維氏顯微硬度計(jì)測試試樣的顯微硬度，在300 g的載荷下保持15 s；室溫下利用Sigma2008數(shù)字渦流金屬電導(dǎo)儀測試試樣的電導(dǎo)率；采用DX-2500X型X射線衍射儀對試樣的物相進(jìn)行分析；采用Olympus-GX51金相顯微鏡及帶有能譜儀的HITACHI S-4800掃描電子顯微鏡觀察試樣的顯微組織并進(jìn)行成分分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 銅基復(fù)合材料的物相分析

利用XRD對不同Y2O3添加量所對應(yīng)的Y2O3/Cu復(fù)合材料進(jìn)行了物相分析。圖2為復(fù)合材料的XRD譜圖。

圖2 添加不同質(zhì)量的Y2O3制備的復(fù)合材料的XRD譜Fig 2 XRD patterns of the composites with different Y2O3 contents

從圖2可以看出，圖譜中未顯示出Y2O3的特征衍射峰。由于所添加的Y2O3量較少，球磨后Y2O3在銅基質(zhì)內(nèi)均勻分散開來，因此X射線衍射未檢測出來。此外，所有燒結(jié)后的樣品除Cu外均未檢測出其它相的存在，表明Y2O3粉與銅基質(zhì)在球磨及燒結(jié)期間不存在化學(xué)反應(yīng)，也未引入其它雜質(zhì)。

2.2 Y2O3添加量對燒結(jié)試樣致密度及硬度的影響

圖3為不同Y2O3的添加量所對應(yīng)的復(fù)合材料相對密度及硬度變化曲線。材料的相對密度是影響材料綜合性能的一個(gè)重要物理量，同樣，材料的硬度也是材質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。因此，從Y2O3/Cu復(fù)合材料的相對密度及硬度曲線可以看出Y2O3添加量對材料力學(xué)性能的影響。

圖3 不同Y2O3添加量制備的Y2O3/Cu 復(fù)合材料的相對密度及硬度曲線圖Fig 3 Relative density and hardness of Y2O3/Cu composites with different Y2O3 contents

從圖3可以看出，隨著Y2O3添加量的增加，銅基復(fù)合材料的相對密度及硬度均逐漸增大，Y2O3添加量為1.0%時(shí)出現(xiàn)峰值，相對密度及硬度分別為99.91%及75.8HV。然而，隨著Y2O3添加量的繼續(xù)增加，復(fù)合材料的相對密度及硬度均出現(xiàn)略微下降。這是由于Y2O3顆粒的平均粒徑小于銅粉的平均粒徑，燒結(jié)時(shí)加入少量的Y2O3小尺寸顆?？梢允蛊涑浞殖涮畹姐~基體之間的空隙中，從而減小了粉末之間的空隙，使得粉末之間結(jié)合更為緊密因此，添加少量的Y2O3有助于提高復(fù)合材料的致密度。然而，受界面效應(yīng)的影響，Y2O3與銅粉界面結(jié)合處存在一定的孔隙，即微裂紋，隨著Y2O3添加量的增加，界面效應(yīng)影響越來越明顯。因此，當(dāng)Y2O3添加量超過1.0%時(shí)，界面效應(yīng)開始占主導(dǎo)作用，孔隙數(shù)量增加，從而復(fù)合材料的相對密度逐漸降低。

2.3 Y2O3添加量對燒結(jié)試樣微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖4(a)～(e)為不同Y2O3添加量時(shí)的Y2O3/Cu復(fù)合材料的金相顯微組織照片。從圖4可看出，復(fù)合材料的顯微組織具有典型的孿晶特征且較為致密，孔洞較少。

對比圖4(a)～(e)，隨著Y2O3添加量的增加，銅晶粒的平均尺寸先逐漸增大再減小，這與試樣致密度隨Y2O3含量增加而變化的規(guī)律一致。這是因?yàn)椋?dāng)Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí)，Y2O3顆粒較好地分布于Cu基體中；隨著Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，Y2O3顆粒在銅基體中分布比較密集；當(dāng)Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，銅基復(fù)合材料局部區(qū)域出現(xiàn)了Y2O3顆粒分布不均勻的現(xiàn)象，即增強(qiáng)相分布的均勻性變差。增強(qiáng)顆粒與基體中的位錯(cuò)、晶界相互作用，阻礙位錯(cuò)和晶界的移動(dòng)，而銅基體晶粒的長大是通過晶界移動(dòng)來進(jìn)行的。因此，隨著復(fù)合材料中Y2O3顆粒的增加，銅基體中的Y2O3數(shù)量增加，它們對晶界的阻礙作用也越強(qiáng)，銅晶粒尺寸減小，Y2O3顆粒的加入破壞了銅基體的連續(xù)性，從而在材料內(nèi)部產(chǎn)生大量孔隙。而孔隙會(huì)阻礙晶界的移動(dòng)，特別是大孔隙，靠擴(kuò)散難以消除，會(huì)殘留在燒結(jié)后的晶界處，從而降低了材料的相對密度，材料致密化越來越困難，影響復(fù)合材料性能。

圖5為不同Y2O3添加量的Y2O3/Cu復(fù)合材料的SEM形貌和能譜圖。結(jié)合EDS能譜分析可知，箭頭所指物質(zhì)為Y2O3顆粒，其均勻分部在銅基體上。黑色孔洞一部分是由于燒結(jié)不致密而形成的孔洞、裂紋，一部分是由于試樣拋光腐蝕后，Y2O3顆粒掉落留下的腐蝕坑。此外，隨著Y2O3含量的增加，復(fù)合材料的孔隙率也有所增加，這主要是由于Y2O3顆粒阻礙基體Cu原子的擴(kuò)散，且顆粒越多，阻礙作用越明顯，孔隙越難填充，可能導(dǎo)致銅基復(fù)合材料性能的下降。粉末在燒結(jié)時(shí)，增強(qiáng)顆粒和Cu基體不發(fā)生反應(yīng)，Y2O3與銅界面結(jié)合以機(jī)械結(jié)合為主。

圖5 不同Y2O3添加量制備的燒結(jié)試樣的SEM形貌及EDS圖譜Fig 5 SEM images of Y2O3/Cu composite with different Y2O3 contents

2.4 Y2O3添加量對燒結(jié)試樣電導(dǎo)率的影響

圖6為不同Y2O3的添加量所對應(yīng)的復(fù)合材料電導(dǎo)率變化曲線。使用Sigma2008數(shù)字渦流金屬電導(dǎo)儀測量燒結(jié)樣品的電導(dǎo)率并以International Annealed Copper Standard(國際標(biāo)準(zhǔn)退火銅IACS=58.0 MS/m)作為校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)?？梢钥闯?，隨著Y2O3添加量的增加，Y2O3/Cu復(fù)合材料的電導(dǎo)率呈現(xiàn)出先提高后降低的趨勢。同樣，在加入的Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)達(dá)到最大，為50.26 MS/m，相對純銅電導(dǎo)率(28.75MS/m)提升了74.4%。

圖6 不同Y2O3添加量制備的燒結(jié)試樣的電導(dǎo)率曲線圖Fig 6 Conductivity of the samples with different Y2O3 contents

對于金屬基復(fù)合材料，通過自由電子傳輸可以實(shí)現(xiàn)電的傳導(dǎo)，電子的定向傳輸受界面散射影響，并且隨著界面散射的增強(qiáng)而減弱。當(dāng)增強(qiáng)相呈球狀時(shí)界面小，散射作用較弱，電導(dǎo)率較高，反之則電導(dǎo)率較低[19- 20]。分析其原因可知，通常情況下，復(fù)合材料的導(dǎo)電性與其致密度密切相關(guān)，材料的致密度越高，則其導(dǎo)電性也就越好，因此，Y2O3/Cu復(fù)合材料導(dǎo)電率與材料的致密度密切相關(guān)。隨著Y2O3添加量增加，復(fù)合材料的相對密度提高，從而提高了復(fù)合材料的電導(dǎo)率。其次，從圖4(a)～(c)可以看出，隨著Y2O3添加量的增加，燒結(jié)體的晶粒逐漸粗化，晶粒的粗化減少了晶界的總面積，因此，晶界處的電子散射減少，導(dǎo)電性增強(qiáng)，電導(dǎo)率提高。此外，隨著Y2O3的增加，電子定向傳輸時(shí)受到的界面散射減弱，電導(dǎo)率提高。但是，隨著Y2O3添加量的繼續(xù)增加，復(fù)合材料的相對密度降低，并且根據(jù)圖4(d) 、(e)，燒結(jié)體的晶粒逐漸減小，晶界面積增加。同時(shí)，Y2O3/Cu復(fù)合材料界面結(jié)合處存在的孔隙數(shù)量增加，而Y2O3強(qiáng)化銅基復(fù)合材料時(shí)，由于Y2O3和Cu熱膨脹系數(shù)的差異造成的內(nèi)應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致晶格畸變，引起Y2O3周圍的位錯(cuò)密度增加，Y2O3顆粒阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致位錯(cuò)增殖，電子散射增強(qiáng)，以上都在一定程度上增大了散射效應(yīng)，導(dǎo)致燒結(jié)體的電導(dǎo)率出現(xiàn)下降。

3 結(jié) 論

(1)采用多物理場耦合活化燒結(jié)技術(shù)(Micro-FAST)成功制備了Y2O3/Cu復(fù)合材料。在燒結(jié)溫度為600 ℃、保溫時(shí)間為3 min、施加壓力為50 MPa的燒結(jié)工藝條件下，當(dāng)添加的Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，得到了最佳綜合性能的燒結(jié)體，其相對密度、硬度及電導(dǎo)率分別比純銅燒結(jié)樣提高了6.8%、41.4%、74.4%，分別達(dá)到99.91%、75.8HV及50.26 MS/m。

(2)宏觀力學(xué)性能測試及微觀顯微分析表明Y2O3/Cu復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于純銅燒結(jié)試樣，Y2O3分散在Cu基體中可起到良好增強(qiáng)相的作用。