田茂江，崔得鋒，張曉輝

（1.重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司金屬功能材料分公司，重慶 400702；2.桂林電器科學(xué)研究院有限公司，廣西桂林 541004；3.北京鑫瑞新材料有限公司，北京 101300）

引言

隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展,對(duì)材料性能的要求越來越高，純金屬或簡(jiǎn)單合金很難滿足目前各項(xiàng)使用條件下對(duì)材料的要求。近年來出現(xiàn)的新型復(fù)合材料極大提升了材料的應(yīng)用范圍，不同金屬結(jié)合在一起制備出來的復(fù)合材料具有互補(bǔ)效應(yīng)，從而彌補(bǔ)不足獲得最好的綜合性能。與傳統(tǒng)的金屬材料相比，復(fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度與比剛度；與高分子基復(fù)合材料相比，它具有優(yōu)良的導(dǎo)電性與耐熱性；與陶瓷材料相比，它又具有較高的韌性和較高的抗沖擊性能[1‐5]。

貴/廉金屬層狀復(fù)合材料由貴金屬材料層（如Au、Ag及鉑族金屬）與廉金屬材料基體層（如銅基合金）構(gòu)成，軋制復(fù)合法的貴金屬?gòu)?fù)合材料的復(fù)層以銀基材料居多，其次為金基材料。各種軋制法生產(chǎn)的貴廉復(fù)合材料目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于開關(guān)、保護(hù)器、繼電器、電位器、連接器、微型馬達(dá)等[2,6]。

1 金屬層狀復(fù)合材料的組合形式

1.1 組元組合方式

按照構(gòu)成復(fù)合材料組元的類型，各種金屬或合金相互之間的可能性組合見表1[1,2]。

表1 金屬/金屬層狀復(fù)合材料的可能組合

1.2 組元結(jié)合形式

根據(jù)斷面形式，復(fù)合層狀材料可分為單面復(fù)合、雙面復(fù)合、邊部復(fù)合、嵌條復(fù)合、多條鑲嵌復(fù)合、貫穿復(fù)合和混合復(fù)合等多種類型，如圖1所示，其中復(fù)層材料本身有單層的、也有雙層的。

2 復(fù)合形式和方法

2.1 固—固復(fù)合

2.1.1 軋制復(fù)合

軋制復(fù)合法又稱為軋焊法，利用軋機(jī)強(qiáng)大壓力作用，或者輔之加熱，使待復(fù)合的兩種或兩種以上金屬（合金）產(chǎn)生塑性變形，表面金屬層破裂。隨后，潔凈而活化的金屬層從破裂的金屬表面露出，原子高度擴(kuò)散從而使組元間形成以原子鍵合和榫扣結(jié)合的冶金結(jié)合的兩層或多層狀金屬材料[3]，其斷面形式多為圖1（a、b、d～h）。

圖1 常見金屬層狀復(fù)合材料斷面形式

軋制復(fù)合材料的分類方法很多，按應(yīng)用特性可分為熱雙金屬、（電接觸）貴廉復(fù)合金屬、導(dǎo)電彈性復(fù)合金屬、封裝熱控制用復(fù)合金屬、炊具（裝飾）用復(fù)合金屬、造幣復(fù)合金屬、釬焊用復(fù)合金屬等。目前國(guó)際上約80%的復(fù)合板都采用壓制法生產(chǎn)。

2.1.2 爆炸焊接復(fù)合法

爆炸復(fù)合是近年來發(fā)展起來的新技術(shù)[3,7]，它可使大多數(shù)金屬材料相互復(fù)合形成一種兼有兩種或者多種金屬（合金）性能的材料，擴(kuò)展了現(xiàn)有復(fù)合材料（合金）的性能及應(yīng)用范圍，并可節(jié)約稀貴金屬。爆炸復(fù)合工藝的最大用途是制造大面積的各種組合、各種形狀、各種尺寸和各種用途的雙金屬及多金屬?gòu)?fù)合材料，其斷面形式多為圖1（a、b、i、j）。

2.1.3 爆炸+軋制復(fù)合法

爆炸制坯+軋制法是將不同的材料通過爆炸焊接后，再采用熱軋∕冷軋或熱軋+冷軋軋制獲得復(fù)合板材的一種生產(chǎn)方法[3]。

2.1.4 擴(kuò)散焊接法

擴(kuò)散焊接法分為無助劑自擴(kuò)散焊接、無助劑異擴(kuò)散焊接、有助劑擴(kuò)散焊接、相變超塑性擴(kuò)散焊接等，該法原理是在低于母材熔點(diǎn)的溫度下，利用壓力使金屬板緊密疊合后靠原子相互擴(kuò)散滲透結(jié)合[3]。用于制作層狀復(fù)合材料時(shí)，其斷面形式主要為圖1（h）。

2.1.5 超聲焊接復(fù)合法

超聲波金屬焊接主要過程是被夾持在一起的兩塊工件受到硬砧和焊接端頭之間的靜壓力，將超聲波能量傳輸給工件頂部，維持短暫的時(shí)間，待結(jié)合表面之間的摩擦破碎氧化膜和其他沾污，每個(gè)表面上露出清潔新生的金屬，從而使兩個(gè)表面相互結(jié)合[3]。

2.2 固—液復(fù)合法

2.2.1 澆鑄軋制復(fù)合法

澆鑄軋制復(fù)合法是兩種材料在鑄模中進(jìn)行的液—固復(fù)合法。其工藝流程是：先將固態(tài)金屬板進(jìn)行表面打毛潔凈處理，再將兩塊固態(tài)金屬板疊合，中間涂上剝離劑，放入盛有另一種金屬液的鑄模中，待金屬液在金屬表面結(jié)晶后，將已復(fù)合的板材取出軋制，并將焊合的邊部切掉，得到兩塊雙金屬?gòu)?fù)合板。這種復(fù)合方法在開坯軋制時(shí)，界面結(jié)合就已經(jīng)完成[3]。

2.2.2 噴射沉積法

噴射沉積法是在高速惰性氣體的作用下，將大塊熔體或合金液體霧化成彌散的液態(tài)顆粒，增加金屬的總表面積，提高金屬液體顆粒的冷卻速率，將其噴射到金屬基板上的復(fù)合方法[3]。

2.2.3 堆焊復(fù)合法

堆焊復(fù)合法是在基板表面將堆焊金屬熔化后快速冷卻，在基板表面形成一層特殊性能涂層的方法，主要有添粉式堆焊、手工自動(dòng)堆焊、埋弧堆焊和等離子焊等[3]。

2.3 液—液滾焊復(fù)合法

滾焊技術(shù)屬于連續(xù)加工電阻焊技術(shù)。由于金屬板表面粗糙，兩種金屬不能完全互相接觸，導(dǎo)致兩種金屬板的接觸區(qū)域具有很高的電阻。滾焊的原理是在疊合金屬板層之間通強(qiáng)電流，當(dāng)大的電流通過接觸區(qū)域時(shí)，界面就會(huì)產(chǎn)生足夠大的熱量使界面區(qū)熔化，并快速冷卻結(jié)晶復(fù)合[3]。

3 常用復(fù)合材料種類

3.1 微電機(jī)馬達(dá)用層狀復(fù)合材料

微電機(jī)馬達(dá)用層狀復(fù)合材料常用材料種類及組成形式見表2。

3.2 開關(guān)、保護(hù)器、繼電器用層狀復(fù)合材料

開關(guān)是使電路開路、中斷或使電流轉(zhuǎn)到其他電路的電子元件。保護(hù)器中的保護(hù)元件是兩片不同的合金由于合金熱膨脹系數(shù)不同，當(dāng)通過電流發(fā)熱時(shí)，將會(huì)向一個(gè)方向彎曲，帶動(dòng)觸點(diǎn)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)斷電，其彎曲速度與通過的電流大小成正比。繼電器是一種常用的電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它用于接通和斷開電路，用以發(fā)布控制命令和反映設(shè)備狀態(tài)，以構(gòu)成自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制電路。開關(guān)、保護(hù)器、繼電器用層狀復(fù)合材料常用材料種類及組成形式見表3。

表3 開關(guān)、保護(hù)器、繼電器用層狀復(fù)合材料品種及組成形式

3.3 異型接點(diǎn)層狀復(fù)合材料

異型接點(diǎn)層狀復(fù)合材料是隨著繼電器和開關(guān)向小型輕量化、高度集成化方向發(fā)展，而出現(xiàn)的一種多層復(fù)合、截面微小的電接觸材料，它的“異型”體現(xiàn)在產(chǎn)品截面復(fù)雜，多為三角形、圓弧、梯形、方形等及多種形狀的組合[8]。根據(jù)使用方式可分為焊接型和鉚接型兩種，焊接型觸點(diǎn)或接點(diǎn)帶采用電阻焊方式將其與簧片（帶）熔接到一起；鉚接型觸點(diǎn)或接點(diǎn)帶采用鉚壓方式將其與簧片（帶）鉚合到一起。由于異型復(fù)合接點(diǎn)帶采用特殊復(fù)合工藝精密加工，層間結(jié)合強(qiáng)度高且穩(wěn)定，表面光潔，可有效降低接觸電阻，兼有單一金屬所沒有的綜合特性，節(jié)約貴金屬，易于自動(dòng)化焊接。異型層狀復(fù)合接點(diǎn)帶復(fù)合材料的構(gòu)成見表4。

表4 異型層狀復(fù)合接點(diǎn)帶復(fù)合材料的構(gòu)成

3.4 層狀銀銅復(fù)合觸頭材料

層狀銀銅復(fù)合觸頭材料是理想的環(huán)保型低壓電器用觸頭材料，它不但保持了銀基觸頭材料的優(yōu)點(diǎn)：接觸電阻低而穩(wěn)定、耐電弧燒蝕，又兼具了銅金剛石觸頭材料抗熔焊性好的特點(diǎn)，具有較好的性價(jià)比。層狀銀銅復(fù)合觸頭材料是將銀碳、銀鎳石墨以及含添加物的銀碳、銀鎳石墨銀合金與銅金剛石復(fù)合在一起，從而在大量節(jié)省用銀量、降低成本的前提下解決了銅金剛石材料難以應(yīng)用在電壽命要求高的場(chǎng)合，同時(shí)改善了長(zhǎng)期存放與使用的氧化、并改善了接觸電阻、提高了抗熔焊能力。

此外，層狀銀銅復(fù)合觸頭材料可以做成若干層，每層的成分與厚度可以精確控制，以適應(yīng)不同電器的服役性能。為適應(yīng)越來越多地被采用的自動(dòng)焊生產(chǎn)工藝，這種材料上還可被復(fù)合上釬料層，便于焊接。

3.5 熔斷器用復(fù)合材料

熔斷器的熔芯材料中有一類是Cu/Ag的多層交替斷面復(fù)合材料，該材料主要使用Ag帶、Cu帶復(fù)合加工成節(jié)約型Cu/Ag復(fù)合帶，Ag和Cu的純度分別達(dá)到99.99%和99.97%以上，材料具有良好的尺寸精度，電阻率低而穩(wěn)定，具有良好的一致性。作為快熔的熔體時(shí)，以Ag區(qū)域作為熔斷部分，Ag具有良好的導(dǎo)電性和相對(duì)比較低的熔點(diǎn)起到限流和分?jǐn)嗟淖饔?，Cu區(qū)域?yàn)閷?dǎo)流部分，具有良好的導(dǎo)電性能。

3.6 陶瓷封接用金屬層狀復(fù)合材料

該類材料以AgCu/kovar為主，其代表材料是AgCu15/4J29，主要用于石英晶體振蕩器和石英晶體諧振器的陶瓷封裝。封裝是將集成電路裸片放在承載基板上，引出管腳，然后固定包裝成為一體。封裝技術(shù)對(duì)于芯片至關(guān)重要，如果封裝技術(shù)不好，空氣中的雜質(zhì)會(huì)緩慢地腐蝕芯片電路，造成電氣性能下降；另一方面，封裝后的芯片更便于安裝和運(yùn)輸。

4 發(fā)展趨勢(shì)

電子元器件是支撐信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石，隨著航空、航天、航海、移動(dòng)通信、汽車電子、醫(yī)療設(shè)備等產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的發(fā)展，電子元器件也向扁平化、輕量化、模塊化、集成化、高可靠、高精度、低功耗、低噪聲等方向發(fā)展，對(duì)其所使用的電接觸材料及其復(fù)合材料也提出了多功能化、超薄化、資源節(jié)約化、高精度、高性能等要求。

4.1 超薄化

復(fù)合帶材的總厚度朝超薄化發(fā)展，最薄已達(dá)到0.015 mm，公差達(dá)到±1 μm。如應(yīng)用于扁平馬達(dá)的電刷用復(fù)合帶材厚度為0.03 mm，貴金屬厚度5 μm以下；應(yīng)用于LEO空間環(huán)境下的導(dǎo)電連接片，厚度最薄已達(dá)0.018 mm。

4.2 復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多功能化，多層化

電子元器件服役條件的多樣化、復(fù)雜化對(duì)復(fù)合帶材的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，材料設(shè)計(jì)時(shí)充分利用其“相補(bǔ)效應(yīng)”，設(shè)計(jì)不同的功能層、結(jié)構(gòu)層，以滿足特殊應(yīng)用需求，復(fù)合帶材的復(fù)合結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)多層化、多樣化的發(fā)展趨勢(shì)。如應(yīng)用于陶瓷封裝LⅠD復(fù)合帶材，為保證封裝的氣密性以及環(huán)境試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)了多層的應(yīng)力平衡層、應(yīng)力吸收層、應(yīng)力緩沖層、ⅠMC隔離層，從而形成了多達(dá)5層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4.3 貴金屬層高性能化

在貴金屬成分設(shè)計(jì)時(shí)添加微量強(qiáng)化元素，通過彌散強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化等工藝方法；或者采用定向凝固、原位復(fù)合、內(nèi)氧化法等制備方法，提高貴金屬的再結(jié)晶溫度及高溫穩(wěn)定性、強(qiáng)度及耐磨性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性等性能。以滿足電子元器件高溫、高濕、高轉(zhuǎn)速、大電流、低功耗、低噪聲等服役條件。在貴金屬電接觸性能提高的同時(shí)，也可通過減薄復(fù)層厚度，減少貴金屬使用量，降低成本。如通過在AgCuNi中添加稀土元素，大幅提高微電機(jī)換向器的耐磨性，復(fù)層厚度從主流的0.03 mm，降低到0.015 mm。

4.4 基層材料多樣化

近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)于高導(dǎo)高強(qiáng)銅合金的研究取得重大進(jìn)展，出現(xiàn)了一大批新型銅合金材料，如銅鎳錫、銅鎳硅、銅鎳鋯、鈹銅、鈦銅等合金，其導(dǎo)電率和強(qiáng)度大幅提高，并且通過合理的材質(zhì)選擇及熱處理工藝的調(diào)整，可替代一部分電子元器件原有復(fù)合帶材的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足更高的性能要求。如C7025的導(dǎo)電率可達(dá)40%ⅠACS以上，抗拉強(qiáng)度可達(dá)700 MPa以上，以此為基層的貴金屬?gòu)?fù)合帶材已逐步應(yīng)用于微電機(jī)、傳感器、連接器等領(lǐng)域。