雷沙沙,劉洪軍,2

(蘭州理工大學(xué)1.材料科學(xué)與工程學(xué)院，2.省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國家重點實驗室，蘭州 730050)

0 引 言

銅基復(fù)合材料是以銅或銅合金為基體，通過加入一種或多種增強(qiáng)相制備而成的一種復(fù)合材料，其增強(qiáng)相包括氧化物、碳化物、氮化物等陶瓷相，以及石墨烯和碳納米管等新型增強(qiáng)相[1]。銅基復(fù)合材料具有較高的強(qiáng)度和良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、耐磨耐蝕性、高溫穩(wěn)定性等性能，廣泛應(yīng)用于航天航空、電子電氣、石油化工、交通冶金等領(lǐng)域[2]。例如，集成電路中的引線框架、點焊電極、觸頭等材料需滿足軟化溫度不低于800 K、電導(dǎo)率不低于5.2 S·m-1、抗拉強(qiáng)度不低于600 MPa，且在高頻接觸工作條件下能長期使用的要求，傳統(tǒng)的銅和銅合金材料難以滿足這些要求，而WC增強(qiáng)銅基復(fù)合材料因具備耐高溫、耐電弧燒蝕、強(qiáng)度高等特性，能夠很好地滿足這些要求[3]。銅基粉末冶金復(fù)合材料因?qū)嵝院?、耐磨耐熱及高溫穩(wěn)定性好而大量用于制造承受較高溫度的制動與傳動零部件，如飛機(jī)、載重汽車、重型工程機(jī)械車的剎車片[4]。

高新科技領(lǐng)域?qū)Ω咝阅懿牧系男枨罂焖僭鲩L，銅基復(fù)合材料的制備工藝也在不斷進(jìn)步，綜合性能不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。王英敏等[5]發(fā)明了一種Y2O3彌散強(qiáng)化銅合金的制備方法，制備的銅基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度大于550 MPa，導(dǎo)電率超過90%IACS，軟化溫度高于900 ℃，綜合性能良好。LI等[6]使用粉末冶金方法制備得到Cu-Al2O3復(fù)合材料，其抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率、導(dǎo)電率分別達(dá)522 MPa，8.2%和90%IACS。ZHOU等[7]采用內(nèi)氧化法制備得到Cu-Al2O3銅基復(fù)合材料，并在對500 ℃下進(jìn)行退火處理，退火后該復(fù)合材料的導(dǎo)電率為81.98%IACS±0.56%IACS。REN等[8]對采用內(nèi)氧化法制備得到的Cu-Al2O3復(fù)合材料進(jìn)行熱擠壓處理后，復(fù)合材料的導(dǎo)電率為96.3%IACS。由此可見，銅基復(fù)合材料制備方法及處理工藝的改進(jìn)可以滿足對該材料更高性能的要求。作者綜述了銅基復(fù)合材料不同制備工藝的優(yōu)勢和不足及其近期研究進(jìn)展，并對未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 粉末冶金法

粉末冶金法是最早用來制備金屬基復(fù)合材料的方法之一[9-10]，用此法制備銅基復(fù)合材料的工藝流程：將銅粉、增強(qiáng)相粉和添加劑按一定比例充分混合成均勻的復(fù)合粉體，然后在一定的壓力和溫度下壓制和燒結(jié)得到銅基復(fù)合材料。

增強(qiáng)相種類對銅基復(fù)合材料的性能影響很大。國秀花等[11]采用粉末冶金工藝分別制備了Al2O3和MgO顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，2種復(fù)合材料的硬度相近，分別為94.4，93.9 HB，均高于SiO2/Cu復(fù)合材料，表明增強(qiáng)相的物理性質(zhì)相近時，所制備的銅基復(fù)合材料性能也相近。對增強(qiáng)相進(jìn)行預(yù)處理是改善銅基復(fù)合材料制備效果的有效措施。TIAN等[12]先對B4C粉進(jìn)行表面化學(xué)鍍銅預(yù)處理，再將該B4C粉與銅粉、石墨粉混合，利用粉末冶金法制備出B4C增強(qiáng)銅/石墨自潤滑復(fù)合材料，表面鍍銅層改善了B4C顆粒與銅之間的潤濕性并提高了界面結(jié)合強(qiáng)度，與無銅包覆B4C增強(qiáng)銅/石墨復(fù)合材料相比，銅包覆B4C增強(qiáng)銅/石墨復(fù)合材料具有更低的孔隙率、更優(yōu)異的耐磨性和更高的抗壓強(qiáng)度。放電等離子燒結(jié)(SPS)工藝是一種新的粉末冶金燒結(jié)方法，通過將混合好的材料粉體裝進(jìn)模具，在特定的燒結(jié)電壓和壓力下，放電使粉體活化并熱塑變形及冷卻而制備出高性能復(fù)合材料。AKBARPOUR等[13-14]用SPS法制備出納米SiC/Cu復(fù)合材料，復(fù)合材料中銅基體的晶粒尺寸僅為185 nm，遠(yuǎn)小于純銅(437 nm)，如圖1所示，晶粒細(xì)化改善了復(fù)合材料的摩擦性能；在該復(fù)合材料中添加碳納米管(CNTs)制備得到CNTs-SiC/Cu納米復(fù)合材料，復(fù)合材料的磨損寬度較純銅小約200 μm，磨損深度降低了79%，這是因為在摩擦過程中暴露的碳納米管可以阻止復(fù)合材料與對磨件的直接接觸，減少接觸表面的黏附力，從而提高復(fù)合材料的耐磨性能。

圖1 SPS工藝制備得到純銅和SiC/Cu復(fù)合材料的電子背散射衍射圖[14]Fig.1 Electron backscatter diffraction patterns of pure Cu (a) and SiC/Cu composite (b) prepared by SPS[14]

粉末冶金法能直接壓制出接近制件形狀尺寸的復(fù)合材料坯體，材料的利用率高，可以減少后續(xù)機(jī)械加工步驟并降低成本；該方法可以靈活選用不同類型和顆粒尺寸的增強(qiáng)相，且其相對較低的制備溫度可避免銅基體與增強(qiáng)相之間發(fā)生反應(yīng)，從而保證復(fù)合材料獲得優(yōu)異的性能。粉末冶金法主要用于制備顆粒彌散增強(qiáng)銅基復(fù)合材料[15-16]，是生產(chǎn)結(jié)構(gòu)件、摩擦件及高強(qiáng)高導(dǎo)電構(gòu)件的主要手段[17]。但是與其他方法相比，粉末冶金法的工藝比較復(fù)雜，而且受模具形狀和尺寸的限制，不適合制備結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件。

2 鑄造法

鑄造法是一種常用的金屬基復(fù)合材料制備方法[18]，主要包括攪拌鑄造法和擠壓鑄造法兩種。攪拌鑄造法制備銅基復(fù)合材料的流程：將增強(qiáng)相加入到銅或銅合金熔體中，通過一定的攪拌方式使得增強(qiáng)相顆粒均勻分散，經(jīng)過澆注凝固形成復(fù)合材料鑄錠，后續(xù)可輔以冷壓或擠壓等形變處理[19-20]。擠壓鑄造法制備銅基復(fù)合材料一般分為2步，第一步制備增強(qiáng)相預(yù)制體，第二步將銅或銅合金熔體用擠壓方法壓入增強(qiáng)相預(yù)制體內(nèi)，冷卻凝固后得到銅基復(fù)合材料[21]。

攪拌鑄造法是制備多種強(qiáng)化相增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的一種合適且經(jīng)濟(jì)的技術(shù)。SINGH等[22-23]研究了不銹鋼含量對攪拌鑄造法制備WC/Cu復(fù)合材料性能的影響，發(fā)現(xiàn)添加少量的不銹鋼可以提高復(fù)合材料的耐腐蝕性能，并改善銅基體和WC的潤濕性。JAMWAL等[24]用攪拌鑄造法制備石墨-SiC增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，2種增強(qiáng)相既不固溶也不發(fā)生反應(yīng)，SiC顆粒使得復(fù)合材料有較高的強(qiáng)度，石墨的添加降低了復(fù)合材料的密度，提高了耐磨性；這種輕質(zhì)銅基復(fù)合材料可應(yīng)用于汽車和航空等領(lǐng)域。在攪拌鑄造過程中增強(qiáng)相顆粒容易出現(xiàn)團(tuán)聚、分布不均勻的現(xiàn)象。為了解決此問題，鄒存磊[25]在鑄造過程中施加不同強(qiáng)度的旋轉(zhuǎn)磁場，通過電磁力使熔融金屬液對流，將團(tuán)聚的增強(qiáng)相顆粒沖散并使其均勻分布在銅基體中，如圖2所示。將擠壓鑄造和增材制造等新技術(shù)相結(jié)合可以制備具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的銅基復(fù)合材料。徐慧燕等[26]采用激光選區(qū)熔化成形工藝制備鎳增強(qiáng)體，然后用擠壓鑄造法獲得空間結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料，該復(fù)合材料的硬度高達(dá)120 HB，為純銅的1.71倍，相同條件下其磨損量比純銅降低了58%。

圖2 攪拌鑄造過程中施加磁場制備得到TiB2/Cu復(fù)合材料的顯微組織[25]Fig.2 Microstructure of TiB2/Cu composite prepared by magnetic field during stirring casting[25]

鑄造法工藝簡單，過程易控制，制備成本低，對設(shè)備要求不高，在大規(guī)模生產(chǎn)銅基復(fù)合材料方面有一定的優(yōu)勢。在用攪拌鑄造法制備銅基復(fù)合材料的過程中存在增強(qiáng)相顆粒在熔融金屬中分散不均勻問題，而且復(fù)合材料熔體中的雜質(zhì)和氣體排出較困難，此時可通過電磁、電壓攪拌代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械攪拌，從而可在避免雜質(zhì)引入的同時使得增強(qiáng)相在銅基體中分布均勻。擠壓鑄造法可以通過定制一定形狀增強(qiáng)體制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)銅基復(fù)合材料，但此法在鋁基復(fù)合材料零件制造方面的研究和應(yīng)用較多，而在銅基復(fù)合材料方面還有很大的發(fā)展空間。

3 機(jī)械合金化法

機(jī)械合金化法的主要機(jī)制是借助高速旋轉(zhuǎn)球磨機(jī)在旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的機(jī)械能，使復(fù)合粉體在磨球的重復(fù)擠壓、摩擦下發(fā)生反復(fù)變形從而細(xì)化金屬基體相的晶粒，并使復(fù)合材料的組分均勻分布。機(jī)械合金化使原子擴(kuò)散更充分、界面結(jié)合強(qiáng)度更高，適合制備顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料[27]。

機(jī)械合金化法可用于制備超細(xì)晶粒的銅基復(fù)合材料。LI等[28]在Cu-Cr合金粉中加入超細(xì)TiB2顆粒，通過機(jī)械合金化法制備Cu-Cr-TiB2復(fù)合材料，該復(fù)合材料的晶粒尺寸小于50 nm，這是因為超細(xì)硬質(zhì)TiB2陶瓷顆粒對銅合金粉進(jìn)行反復(fù)微切割，干擾位錯運(yùn)動，破壞晶粒的完整性，最終加劇晶粒的細(xì)化。VISHLAGHI等[29]對銅粉和鐵粉進(jìn)行機(jī)械合金化，制備得到納米Cu80Fe20合金固溶體，然后加入CNTs制備了CNT/Cu80Fe20復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)鐵的加入導(dǎo)致合金的電導(dǎo)率下降，但復(fù)合材料的導(dǎo)電性隨著碳納米管含量的增加而改善。采用機(jī)械合金化法可在銅或銅合金表面制備復(fù)合材料層，高能球磨作用使金屬表面經(jīng)歷連續(xù)塑性變形，從而細(xì)化表面晶粒，并將增強(qiáng)相顆粒嵌入基體表層中。MENG等[30]采用機(jī)械合金化法在純銅表面制備鎢銅復(fù)合材料層，通過復(fù)合材料層結(jié)構(gòu)的變化說明了在不混溶金屬體系中復(fù)合材料層的形成機(jī)理，其形成機(jī)理如圖3所示；研究表明球磨時間對復(fù)合材料層的形成起著重要的作用，球磨時間太短不足以在銅表面形成復(fù)合材料層，球磨時間的延長能夠提高表面層密度及其與銅基體之間的結(jié)合強(qiáng)度，從而在銅表面形成復(fù)合材料層。點焊電極在汽車車身焊接過程中的維修、更換比較頻繁，迫切需要提高其性能并延長使用壽命，因此可采用表面增強(qiáng)處理對銅電極性能進(jìn)行改善。TiC單相表面增強(qiáng)點焊電極的電導(dǎo)率低，而TiB2單相增強(qiáng)時其與銅基體的潤濕性差。董仕節(jié)等[31]采用機(jī)械合金化結(jié)合真空半燒結(jié)工藝在銅電極表面通過電火花熔覆制備了TiB2-TiC復(fù)相層，該方法解決了采用單相增強(qiáng)時存在的問題。

圖3 用機(jī)械合金化法在純銅表面制備鎢銅復(fù)合材料層的形成機(jī)理示意[30]Fig.3 Schematic of formation mechanism of tungsten copper composite layer prepared on surface of pure copper by mechanical alloying[30]

與粉末冶金法和鑄造法相比，機(jī)械合金化法對原料的適應(yīng)性更強(qiáng)，除了可制備一般的顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料外，還可制備納米晶、非晶復(fù)合材料；目前機(jī)械合金化法已成為制備超細(xì)晶或納米銅基復(fù)合材料的一種重要方法[32-33]。機(jī)械合金化法制備銅基復(fù)合材料時，長時間球磨雖然可細(xì)化復(fù)合材料晶粒，但也大大降低制備效率，而且在制備過程中易引入雜質(zhì)，影響復(fù)合材料的性能，尤其是導(dǎo)電性能。

4 內(nèi)氧化法

內(nèi)氧化法是美國SCM公司的專利技術(shù)[34]，其原理：在合金粉氧化過程中氧溶解到合金相中并在合金相中擴(kuò)散，合金中比較活潑的元素與氧發(fā)生反應(yīng)形成氧化物顆粒。在制備過程中先將合金粉復(fù)合氧化，后續(xù)處理工藝與粉末冶金法相似。內(nèi)氧化法在銅基復(fù)合材料制備中的典型應(yīng)用是制備Al2O3彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料,內(nèi)氧化法可以通過在材料內(nèi)部氧化生成Al2O3顆粒的方法解決Al2O3與銅基體潤濕性差的問題。目前在內(nèi)氧化法中主要采用以下2種方式對鋁進(jìn)行氧化：(1)將一定比例的銅鋁合金粉和氧化介質(zhì)均勻混合后在密閉條件下進(jìn)行內(nèi)氧化，再將氧化好的粉體進(jìn)行壓制燒結(jié)獲得銅基復(fù)合材料，此方法需要外加氧化介質(zhì)，混粉時間長；(2)在保證銅基體不被氧化的前提下對鋁元素進(jìn)行內(nèi)氧化，該方法須嚴(yán)格控制氧含量[35-37]。

美國在20世紀(jì)70年代已成功將內(nèi)氧化法應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，制備得到的Al2O3/Cu復(fù)合材料用于制作電焊電極[38-39]。近年來的發(fā)展方向主要是將內(nèi)氧化法和熱擠壓等方法相結(jié)合來制備綜合性能更優(yōu)異的銅基復(fù)合材料。REN等[8]將內(nèi)氧化法和熱擠壓法相結(jié)合制備了Cu-Al2O3納米復(fù)合材料，復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為417，445 MPa，其中內(nèi)氧化法主要產(chǎn)生增強(qiáng)相Al2O3顆粒，而熱擠壓法可使材料晶粒細(xì)化并有特定的取向。李美霞等[40]將Cu-0.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Al合金熔化后經(jīng)水霧化法制取銅鋁合金粉，合金粉經(jīng)氧化、冷等靜壓成形、真空燒結(jié)、熱擠壓和冷拉拔變形等過程，得到直徑為1 mm的Cu-Al2O3復(fù)合材料絲，復(fù)合材料中Al2O3顆粒尺寸約為6 nm，屈服強(qiáng)度高達(dá)680 MPa，這是因為均勻分散的細(xì)小Al2O3顆粒對位錯有一定的阻礙作用，強(qiáng)化效果顯著。XU等[41]在用內(nèi)氧化法制備Al2O3/Cu復(fù)合粉體的基礎(chǔ)上，利用化學(xué)氣相沉積法在復(fù)合粉體表面原位生長CNTs，CNTs的生長機(jī)理如圖4所示，成功制備出Cu-Al2O3/CNTs復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)具有較低表面粗糙度和石墨化程度的CNTs均勻分散在復(fù)合粉體表面，并與其結(jié)合良好。

圖4 用化學(xué)氣相沉積法在Cu-Al2O3復(fù)合粉體表面上原位生長CNTs的生長機(jī)理示意[41]Fig.4 Schematic of growth mechanism of in-situ CNTs formed on surface of Cu-Al2O3 composite powder by chemical vapor deposition[41]

采用內(nèi)氧化法可以在銅基復(fù)合材料中形成分布均勻、熱穩(wěn)定好的細(xì)小氧化物，可在復(fù)合材料中產(chǎn)生彌散強(qiáng)化、位錯強(qiáng)化等多種復(fù)合強(qiáng)化機(jī)制，因此所制備的復(fù)合材料具有優(yōu)良的性能，尤其是高溫力學(xué)性能。內(nèi)氧化法制備銅基復(fù)合材料的難點在于氧氣含量的控制，且其工序繁雜、成本較高，這也是實現(xiàn)大批量、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)銅基復(fù)合材料的一個關(guān)鍵問題。

5 原位合成法

原位合成法是近年發(fā)展起來的一種新型制備方法，其基本原理：材料在一定條件發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在基體材料內(nèi)部生成一種甚至多種增強(qiáng)相，從而達(dá)到改善基體材料性能的目的。通過原位合成法制備銅基復(fù)合材料時，增強(qiáng)相是在銅或銅合金內(nèi)部原位形成的。

丁飛等[42]采用原位合成法制備了Al2O3彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)與外加增強(qiáng)相相比，在相同成分下原位合成法制備得到銅基復(fù)合材料的綜合性能更好，且當(dāng)Al2O3體積分?jǐn)?shù)為2%時，復(fù)合材料的綜合性能最佳，硬度、導(dǎo)電率和相對密度分別為120 HB，85%IACS和97.7%。TiB2和銅之間的密度差異較大，凝固過程中會出現(xiàn)顆粒的嚴(yán)重偏析，用傳統(tǒng)的鑄造法很難制備出組織均勻的TiB2顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料。WANG等[43]通過Cu-Ti和Cu-B合金原位生成TiB2相的方法解決了此問題，且在制備過程中附加了旋轉(zhuǎn)磁場，進(jìn)一步改善了TiB2顆粒在銅基體中的分布狀態(tài)。RU?IC等[44]采用原位合成法制備ZrB2增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，在650～690 ℃范圍內(nèi)熱壓銅、鋯和硼的合金粉后，復(fù)合材料中形成ZrB2相，當(dāng)溫度升高至950 ℃時，復(fù)合材料中除了存在ZrB2相外，還有CuZr相生成。高溫自蔓延合成法是一種原位合成法，該方法通過將預(yù)期構(gòu)成增強(qiáng)材料的2種粉體與基體粉體均勻混合，再利用外部能量誘發(fā)局部化學(xué)反應(yīng)，然后依靠化學(xué)反應(yīng)熱使得后續(xù)的化學(xué)反應(yīng)過程自發(fā)持續(xù)進(jìn)行，從而合成材料。LV等[45]通過激光熔覆和高溫自蔓延合成相結(jié)合的方法在銅基體表面制備了ZrB2-ZrC增強(qiáng)銅基復(fù)合材料表面層，原位合成的增強(qiáng)相與銅基體之間形成了如圖5所示的柱狀晶和等軸晶的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而降低了界面的應(yīng)力集中并提高了界面的結(jié)合強(qiáng)度；ZrB2-ZrC增強(qiáng)銅基復(fù)合材料表層的顯微硬度比基體提高了近6倍。

圖5 用激光熔覆和高溫自蔓延合成相結(jié)合的方法制備得到ZrB2-ZrC增強(qiáng)銅基復(fù)合材料表層的顯微組織[45]Fig.5 Microstructure of surface layer of ZrB2-ZrC reinforced copper matrix composite prepared by combining method of laser cladding and self-propagating high-temperature synthesis[45]

原位合成法已成為具有較廣闊發(fā)展前景的一種新型銅基復(fù)合材料制備技術(shù)，增強(qiáng)材料在銅基體內(nèi)部原位合成，可以解決增強(qiáng)相和銅或銅合金之間潤濕性差、界面結(jié)合強(qiáng)度弱等問題。與其他方法相比，原位合成法減少了增強(qiáng)相預(yù)處理工藝，進(jìn)一步簡化了制備工藝。由于復(fù)合材料的性能對增強(qiáng)相的含量和形態(tài)非常敏感，因此用原位合成法制備銅基復(fù)合材料時需要對增強(qiáng)相的數(shù)量和尺寸進(jìn)行控制。

6 熔體浸滲法

熔體浸滲法是將銅或者銅合金熔體浸滲到增強(qiáng)相預(yù)制體中，凝固后形成銅基復(fù)合材料的一種方法。熔體浸滲法原理與擠壓鑄造法類似，但是擠壓鑄造法是用高壓迫使金屬熔體進(jìn)入增強(qiáng)相預(yù)制體的孔隙中，而熔體浸滲法是在無壓或較小壓力下，利用銅或銅合金熔體與預(yù)制體之間的潤濕性，在毛細(xì)作用力、重力和壓力的共同作用下對預(yù)制體孔隙進(jìn)行充填。

QU等[46]分別用無壓浸滲和等離子燒結(jié)法制備同體積分?jǐn)?shù)SiC增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)無壓浸滲法制備的復(fù)合材料表現(xiàn)出更低的熱膨脹系數(shù)。ABYZOV等[47]將銅熔體無壓浸滲到鎢包覆的金剛石坯體中制備金剛石增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，測得復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)為720 W·m-1·K-1、彈性模量為310 GPa，導(dǎo)熱性能優(yōu)于鎢或WC增強(qiáng)銅基復(fù)合材料以及彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料。RAMBO等[48]將Ti-Cu合金反應(yīng)熔滲到3D打印制備的多孔碳中，合成了TiC/Ti-Cu/C復(fù)合材料，由于3D打印可制備復(fù)雜形狀的預(yù)制體，結(jié)合熔體浸滲法可制備結(jié)構(gòu)復(fù)雜的銅基復(fù)合材料，為直接成形銅基復(fù)合材料零件提供了可能。李曉雪[49]利用無壓熔體浸滲法成功制備出層狀結(jié)構(gòu)WC/Cu復(fù)合材料，制備工藝過程如圖6(a)所示，復(fù)合材料的顯微組織如圖6(b)所示，研究了冷凍溫度、WC含量對復(fù)合材料性能的影響，為制備仿生銅基復(fù)合材料提供新思路。

圖6 無壓熔體浸滲法制備層狀結(jié)構(gòu)WC/Cu復(fù)合材料的工藝過程及顯微組織[49]Fig.6 Process (a) and microstructure (b) of WC/Cu composite with lamellar structure prepared by pressureless melt infiltration method[49]

用熔體浸滲法制備銅基復(fù)合材料時，制備時間相比擠壓鑄造法長，但是組織較致密，界面結(jié)合良好，預(yù)制體一般不會發(fā)生壓碎、開裂、變形等問題。熔體浸滲法適用于與銅或銅合金潤濕性良好的增強(qiáng)相，也適用于可以通過在銅基體中引入其他金屬元素而改善潤濕性的增強(qiáng)相。熔體浸滲法制備銅基復(fù)合材料的關(guān)鍵在于熔體浸滲行為和兩相界面反應(yīng)的控制，在設(shè)計工藝時需要深入研究這些內(nèi)容。

7 攪拌摩擦法

攪拌摩擦法是從攪拌摩擦焊演變而來的一種加工方法，又稱為攪拌摩擦處理，其基本原理是通過攪拌頭的強(qiáng)烈攪拌作用使被加工材料發(fā)生劇烈塑性變形、破碎、混合[50]。用攪拌摩擦法制備銅基復(fù)合材料時，先將銅板固定好并在其表面開槽，然后將增強(qiáng)材料預(yù)置在槽中或置于攪拌頭中，在攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)的同時向銅板施加壓力，使攪拌頭鉆入銅板內(nèi)，利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與銅板摩擦所產(chǎn)生的大量熱量使材料溫度迅速升高；攪拌頭在旋轉(zhuǎn)的同時沿著指定方向運(yùn)動，增強(qiáng)相材料軟化，被熔融態(tài)的銅或銅合金包覆，從而完成銅基復(fù)合材料的制備[51]。

MISHRA等[52]最早采用攪拌摩擦法來制備5083鋁與SiC顆粒所形成的復(fù)合層，發(fā)現(xiàn)此法制備的復(fù)合材料的晶粒得到細(xì)化。BARMOUZ等[53]受其啟發(fā)并將攪拌摩擦法用于制備SiC顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料上，制備的復(fù)合材料無縮松、縮孔等缺陷，且晶粒比同種增強(qiáng)材料下采用鑄造法得到的復(fù)合材料細(xì)小。LI等[54]通過摩擦攪拌加工制備Al2O3/TiO2顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料層時，對攪拌摩擦裝置進(jìn)行了改動，設(shè)置了一個如圖7(a)所示的“三明治”搭接裝置，制備得到厚度為2 200 μm的復(fù)合層，該復(fù)合層的硬度比銅基體提高約4倍，這是由于反復(fù)攪拌摩擦使得Al2O3和TiO2顆粒在基體中均勻分布，并且晶粒得到細(xì)化導(dǎo)致的。KHOSRAVI等[55]研究了攪拌頭轉(zhuǎn)速以及攪拌道次對WC/Cu復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)、摩擦磨損性能等的影響，發(fā)現(xiàn)連續(xù)強(qiáng)烈的攪拌過程所產(chǎn)生的熱量使得材料發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶以及連續(xù)的塑性變形，晶粒得到細(xì)化，從而改善復(fù)合材料性能；復(fù)合材料的顯微組織如圖7(b)所示。THANKACHAN等[56]通過加入AlN、BN混合增強(qiáng)顆粒來制備表面銅基復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)AlN和BN均單獨(dú)發(fā)揮增強(qiáng)作用，互不影響，復(fù)合材料的硬度顯著提高，表面銅基復(fù)合材料與純銅相比具有更優(yōu)異的耐磨性能。

圖7 攪拌摩擦法制備Al2O3/TiO2顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的搭接裝置示意以及WC/Cu復(fù)合材料的顯微組織Fig.7 Schematic of lap device for preparing Al2O3/TiO2 particle-reinforced copper matrix composite by friction stir method (a) and microstructure of WC/Cu composite (b)

目前，攪拌摩擦法制備銅基復(fù)合材料尚未進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)階段，但是由于可以在給定的深度內(nèi)將增強(qiáng)相分散到銅或銅合金基體中，因此在銅基復(fù)合材料表面改性以及超塑性材料和納米晶材料開發(fā)等方面具有一定的優(yōu)勢和潛力。攪拌摩擦過程中所需控制的工藝參數(shù)較多，如攪拌道次、攪拌速度、溫度等，且攪拌過程中溫度較高時復(fù)合材料界面反應(yīng)不易控制，這些均在一定程度上制約了攪拌摩擦法的應(yīng)用范圍。

8 結(jié)束語

在銅基復(fù)合材料的主要制備工藝中，粉末冶金法、鑄造法、機(jī)械合金化法等制備的銅基復(fù)合材料中增強(qiáng)相含量范圍較寬，成分容易控制，但致密程度略低、制備成本較高；熔體浸滲法可與3D打印等成形新工藝相結(jié)合，用于制造形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的銅基復(fù)合材料零件，未來發(fā)展前景廣闊，但前提是增強(qiáng)相和銅熔體之間的潤濕性較好或者可發(fā)生界面反應(yīng)，同時預(yù)制體成形工藝的復(fù)雜性也增加了制備的難度；內(nèi)氧化法和原位合成法主要解決了增強(qiáng)相和銅基體潤濕性差的問題，提高了增強(qiáng)相與銅基體的結(jié)合性能，但是對于所制備的復(fù)合材料體系有一定限制；機(jī)械合金化法和攪拌摩擦法可用來制備納米晶、表面層銅基復(fù)合材料，但是適用范圍有限，設(shè)備要求高，難以實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。隨著科技的進(jìn)步，銅基復(fù)合材料制備工藝的發(fā)展方向主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1) 針對不同制備工藝的缺點與不足進(jìn)行完善，將多種制備工藝結(jié)合形成集成創(chuàng)新，繼續(xù)開發(fā)和研制新的銅基復(fù)合材料制備工藝。

(2) 在采用各種工藝制備銅基復(fù)合材料的過程中，復(fù)合材料性能除了受加工工藝的影響外，還與銅或銅合金基體和增強(qiáng)相的特性以及增強(qiáng)相的形狀、分布狀態(tài)等密切相關(guān)，因此應(yīng)建立銅基復(fù)合材料的用途、性能與材料體系、制備工藝及參數(shù)的關(guān)系，為制備工藝的選用和控制提供依據(jù)。

(3) 常用的制備工藝基本是基于燒結(jié)或凝固的成形原理，所制備銅基復(fù)合材料很難滿足高致密性要求，這對于其力學(xué)性能及導(dǎo)電導(dǎo)熱性能的影響較大，因此應(yīng)通過精細(xì)化控制燒結(jié)或凝固過程以及開發(fā)成形后處理工藝等來提高復(fù)合材料的致密性。

(4) 銅基復(fù)合材料的制備方法較多，但很多都處于實驗室階段，未能實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，其主要原因在于工藝過程過于復(fù)雜、工藝參數(shù)不易控制、組織性能不穩(wěn)定、成本高等，因此通過簡化工藝過程、穩(wěn)定工藝參數(shù)、降低生產(chǎn)成本等方法實現(xiàn)銅基復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)化，也是今后需要持續(xù)研究的方向之一。