王飛 鳳儀 李新朝 劉鑄漢

摘要：采用真空熱壓燒結法制得金剛石分布均勻，且與銅基結合良好的Cu-Diamond復合材料（金剛石體積分數(shù)為5%）。在空氣氣氛中對Cu-5vol.%Diamond復合材料進行多次電弧燒蝕，通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）和三維激光共聚焦顯微鏡（3D LSCM）對燒蝕表面進行觀察分析，利用能譜儀（EDS）和X射線光電子能譜儀（XPS）對燒蝕后的成分進行分析，結果表明，經(jīng)過100次9 kV高電壓電弧燒蝕后，復合材料燒蝕區(qū)域中的銅基體出現(xiàn)熔化和濺射，并被氧化成了CuO和Cu2O，同時金剛石顆粒較大幅度提高了該復合材料的抗電弧燒蝕能力。

關鍵詞：Cu-Diamond復合材料；電弧燒蝕；形貌；性能

中圖分類號：TB333

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.13.009

Research on Multiple Arc Erosion Properties of Cu-Diamond Composites

WANG Fei FENG Yi LI Xinchao LIU Zhuhan

School of Materials Science and Engineering，Hefei University of Technology，Hefei，230009

Abstract： Cu-Diamond composites with uniform diamond distribution and good bonding with copper matrix were prepared by vacuum hot-press sintering method （diamond volume fraction of 5%）. After multiple arc erosion of Cu-5vol.% Diamond composites in air atmosphere， the eroded surfaces were observed and analyzed using field emission scanning electron microscopy （SEM） and three-dimensional laser confocal microscopy （3D LSCM）， and the composition after erosion was analyzed using energy dispersive spectrometer （EDS） and X-ray photoelectron spectroscopy （XPS）. The results show that after 100 times of arc erosion at a high voltage of 9 kV， the copper in the eroded area of the composites melts and sputters， and is oxidized to CuO and Cu2O. At the same time， the diamond particles substantially improve the resistance of the composite to arc erosion.

Key words：? Cu-Diamond composite； arc erosion； morphology； property

收稿日期：2022-11-16

基金項目：

國家自然科學基金（51871085，51571078）

0 引言

顆粒增強銅基復合材料因其優(yōu)越的綜合性能，成為高壓電器、電子信息、汽車裝備等領域研究的熱點材料［1］。常用的增強體顆粒包括碳化物、氮化物、石墨和金剛石等，其中金剛石具有高硬度（新莫氏硬度為15）、超高彈性模量（800～900 GPa）、強耐磨性、高熔點（3550? ℃）、極佳的導熱性能（熱導率2000 W/（m·K））［2］，且具有穩(wěn)定的物理化學性質，已有廣泛的應用領域［3-4］。王海鵬等［5］采用熱壓燒結工藝制備了金剛石體積分數(shù)為63%的Diamond/Cu-Ti復合材料，當Ti質量分數(shù)為1.1%時熱導率最高，為511 W/（m·K）。LEI等［6］通過熱鍛技術制備了界面結合強、熱導率高、物理性能好的銅/鈦涂層金剛石復合材料。XIE等［7］通過壓力浸潤法制備了金剛石顆粒增強的銅基復合材料，分析了金剛石顆粒的混合模式對復合材料的微觀結構和熱導率的影響。胡美華等［8］研究了金剛石的粒度對顆粒增強銅基復合材料性能的影響。WU等［9］通過電鍍方法制備了界面結合近乎完美的Cu-Diamond復合材料，并對其顯微組織和熱性能進行了探究。KOVRˇK等［10］通過冷噴涂制備了金剛石增強銅基復合材料，并對其力學和疲勞性能進行了測試。雖然目前有大量關于Cu-Diamond復合材料的研究文章，但主要集中在制備工藝、界面修飾、物理性能和微觀結構分析等方面，而對于Cu-Diamond復合材料在電弧燒蝕方面的研究報道較少。

在Cu-Diamond復合材料中，如果Cu含量過高，會導致復合材料的硬度和強度下降；若Diamond含量過高，由于Cu和Diamond之間的界面親和性差，復合材料中的缺陷會增多，導致其導電、導熱性能下降。所以本文通過真空熱壓燒結工藝制備了金剛石含量一定的Cu-Diamond復合材料，在空氣中、9 kV的高電壓下對Cu-Diamond復合材料進行了單次和100次的電弧燒蝕實驗，通過對燒蝕參數(shù)、燒蝕形貌和產(chǎn)物分析，探究Cu-Diamond復合材料的多次電弧燒蝕行為和性能。

1 實驗

1.1 Cu-5vol.% Diamond復合材料的制備

本實驗材料為還原后的電解銅粉（純度不小于99.99%，粒徑38 μm，中冶鑫盾有限公司）和金剛石（MBD4型，D50=20 μm，河南中原金剛石有限公司）。按照金剛石和銅體積比5∶95稱取所需材料，混合均勻后放入真空熱壓燒結爐中（ZT-40-20Y，上海晨華科技有限公司）燒結。具體燒結過程如圖1所示：在氬氣氣氛和30 MPa壓力的條件下，先以10 ℃/min的速率加熱到800 ℃，然后以10 ℃/1.5 min的速率加熱到900 ℃，并在此溫度下保溫1 h，隨爐冷卻至室溫后將樣品取出。最后，將樣品切割成合適的尺寸，打磨后拋光至表面無劃痕，超聲清洗后待用。

圖2是制備完成的Cu-5vol.%Diamond復合材料的SEM掃描圖，從圖中可以看出金剛石顆粒在銅基中均勻分布，沒有產(chǎn)生偏聚的現(xiàn)象，且金剛石和銅基體緊密結合。

對樣品采用阿基米德法測量致密度，布氏硬度儀（HBV-30A）測量硬度，雙臂電橋法測量電導率，激光導熱儀（LFA467）測量熱導率。表1所示是通過上述方法獲得的Cu-5vol.%Diamond復合材料的物理性能。

1.2 電弧燒蝕實驗

本實驗在自制的電弧燒蝕設備中進行，其電路原理如圖3所示。將Cu-5vol.%Diamond復合材料固定在燒蝕設備的上方作為陰極，以鎢棒作為陽極固定在陰極的正下方，通過穩(wěn)壓電源在陰陽兩極之間施加電壓，隨后通過步進電機（AKS-01Z）控制陰極以0.2 mm/min的速度緩慢向陽極移動，直至發(fā)生電弧放電，最后陰極在步進電機的作用下復位，實驗結束。電弧放電過程中通過高速攝像機記錄電弧燒蝕過程，在電弧放電后示波器（ADS1102CAL）記錄電弧持續(xù)時間、放電時的電流等信息，從步進電機上讀取出放電時的陰陽兩極的距離。

2 結果與討論

2.1 單次電弧燒蝕實驗

擊穿電流、燃弧時間、擊穿強度、電弧能量是電弧燒蝕實驗中重要的參數(shù)。圖4所示為9 kV電壓下單次電弧燒蝕的時間電流曲線，圖中擊穿電流代表了在電弧燒蝕過程中所產(chǎn)生的峰值電流；電流從峰值降至零的這一過程所需要的時間稱為燃弧時間。擊穿強度用來評估電接觸材料的起弧難易程度，數(shù)值越高表明該材料越難起弧，其數(shù)值由下式得到：

E=U/d（1）

式中，E為擊穿強度，kV/m；U為實驗的負載電壓，kV；d為放電時陰極和陽極之間的距離，m。

電弧從產(chǎn)生到熄滅過程中釋放的能量稱為電弧能量，相同條件下電弧能量數(shù)值越大，材料所受到的燒蝕損傷越嚴重，其數(shù)值可以通過下式得到：

W=UDf（t，I）dtdI（2）

式中，W為電弧能量，J；D為圖4中的灰色區(qū)域；t為燃弧時間，s；I為擊穿電流，A。

在9 kV 電壓下，Cu-5vol.% Diamond復合材料單次電弧燒蝕實驗中的擊穿電流為34.2 A，燃弧時間為31.42×10-3 s，擊穿強度為1.545×103 kV/m。

圖5a是通過高速攝像機記錄的9 kV電壓下單次電弧燒蝕過程中不同時刻的電弧形態(tài)圖。在電弧燒蝕實驗中，初始施加的負載電壓會導致電極之間產(chǎn)生電場力，而電弧放電時的電流會引發(fā)電磁力。在電場力和電磁力的作用下，電弧柱會隨著時間的推移不斷移動，就產(chǎn)生了圖5a所示的變化。圖5b為電弧燒蝕后材料表面的SEM圖。圖中白色區(qū)域為燒蝕區(qū)域，較大的燒蝕面積表明電弧燒蝕產(chǎn)生的熱量被很好地分散到材料表面，所以從燒蝕區(qū)域中并未觀察到有嚴重的燒蝕損傷，且燒蝕區(qū)域和未燒蝕區(qū)域也無明顯的割裂感。

2.2 100次電弧燒蝕實驗

能否穩(wěn)定服役使用是評估電接觸材料的一個重要標準，所以需要對材料進行多次電弧燒蝕實驗來檢驗其燒蝕穩(wěn)定性和抗電弧燒蝕能力。于是筆者在Cu-5vol.%Diamond復合材料單次電弧燒蝕實驗的基礎上，又對該材料進行了100次電弧燒蝕實驗，并對燒蝕參數(shù)、燒蝕形貌和燒蝕產(chǎn)物進行了分析。

材料的擊穿強度取決于材料本身特性，要求在多次電弧燒蝕后其擊穿強度也不能產(chǎn)生較大的波動，又由式（2）可知，電弧能量在電壓一定的情況下與擊穿電流和燃弧時間成正比，擊穿電流越高、燃弧時間越長則產(chǎn)生的電弧能量越高。圖6所示為9 kV電壓下Cu-5vol.%Diamond復合材料的100次電弧燒蝕實驗中燃弧時間、擊穿電流的變化情況。從圖6a和圖6b中可以得到，隨著電弧放電次數(shù)的增加，電弧的燃弧時間穩(wěn)定在29.5～33 ms，擊穿電流分布在34～35.2 A，這與單次電弧燒蝕的燃弧時間和擊穿電流相近。本實驗統(tǒng)計的數(shù)據(jù)表明Cu-5vol.%Diamond復合材料具有較好的燒蝕穩(wěn)定性，不會因為多次燒蝕而導致抗電弧燒蝕性能改變。

圖7為使用3D LSCM獲得的Cu-5vol.%-Diamond復合材料在100次電弧燒蝕實驗后的金相圖和三維立體形貌圖。從圖7a中可以看出，100次的電弧燒蝕并不是集中在一個部分，而是分布在3個紅色圓圈區(qū)域中，且每個圓圈區(qū)域都由數(shù)條“河流狀”的燒蝕區(qū)域組成。因為銅的功函數(shù)低于金剛石的功函數(shù)，電弧會優(yōu)先作用于銅基體，使銅熔化向外噴濺形成突起［11-12］。在多次電弧燒蝕過程中，電弧不會在樣品表面的固定點位處被激發(fā)生成，而是會隨著電弧燒蝕區(qū)域中的最高突起位置的變化而變化，所以電弧會作用在材料表面不同區(qū)域中的銅基體上。這也是統(tǒng)計到的單次和100次的電弧燒蝕的燃弧時間和擊穿電流都相近的原因。電弧燒蝕中這種燒蝕分散現(xiàn)象可以減少材料因為多次電弧燒蝕集中在一點而失效的情況，提高材料的使用壽命。由2.1節(jié)中對圖5a的分析可知，電弧放電過程中電弧柱會發(fā)生偏移，在宏觀上的表現(xiàn)就是材料表面因為電弧移動形成圖5b所示的“長條狀”燒蝕區(qū)域，而在多次燒蝕過程中會存在燒蝕區(qū)域首尾相連的現(xiàn)象，最終導致“河流狀”的燒蝕形貌出現(xiàn)。圖7a中燒蝕區(qū)域與非燒蝕區(qū)域相比較為明亮，這是因為在多次電弧燒蝕后，材料在電弧的作用下熔化且四處移動，導致銅基體暴露。從圖7b中高度顏色對照軸可以觀察到，燒蝕區(qū)域的高度明顯低于非燒蝕區(qū)域的高度，且以未燒蝕區(qū)域為基準面，通過軟件測量得到燒蝕凹陷的最低深度為-87.892 μm，燒蝕堆積的最高高度為104.536 μm。造成這種現(xiàn)象的原因是，在電弧燒蝕的過程中，燒蝕區(qū)域熔化的液體受到電磁力、重力等作用力的影響產(chǎn)生噴濺，導致燒蝕區(qū)域出現(xiàn)凹坑，非燒蝕區(qū)域出現(xiàn)噴濺液體的凝固堆積。

圖8a為Cu-5vol.%diamond復合材料100次電弧燒蝕實驗中材料表面的局部SEM圖，在掃描電鏡下可以觀察到材料表面存在分區(qū)現(xiàn)象，其中顏色較深、有明顯界限的為燒蝕區(qū)域，而顏色泛白的區(qū)域為非燒蝕區(qū)域。圖8b～圖8e分別對應圖8a中標號為1、2、3、4的方框區(qū)域。在多次電弧燒蝕過程中，相鄰的燒蝕區(qū)域會產(chǎn)生兩種形貌：一種如圖8b所示，燒蝕區(qū)域邊界被電弧產(chǎn)生的高溫熔化使兩塊區(qū)域連接為一體；另一種如圖8c所示，兩塊區(qū)域的中心受到不同方向銅液的噴濺堆積形成一條“隔離帶”。多次電弧燒蝕后，燒蝕區(qū)域中銅的熔化和噴濺不僅會使原本鑲嵌在銅基體中的金剛石裸露并被噴濺物包裹，形成圖8d所示的形貌；還會導致圖8e所示的燒蝕區(qū)域與非燒蝕區(qū)域的分層現(xiàn)象。

從圖8a中可觀察到，Cu-5vol.%Diamond復合材料經(jīng)過多次的電弧燒蝕后，燒蝕區(qū)域中的銅基體表面平整，沒有產(chǎn)生孔洞、裂紋等缺陷，這表明Cu-5vol.%Diamond復合材料有良好的抗多次電弧燒蝕的能力。這主要得益于復合材料中的金剛石顆粒，首先，金剛石顆粒的存在使復合材料具有較高的熱導率，可以使燒蝕過程中產(chǎn)生的熱量得到更好的傳導，這極大程度上減少了電弧燒蝕過程中的燒蝕損傷；其次，均勻分布的金剛石顆粒阻礙了燒蝕區(qū)域中熔化的銅液的噴濺，降低了材料的損耗。

圖9a和圖9b分別為燒蝕區(qū)域中的金剛石顆粒和非燒蝕區(qū)域噴濺銅顆粒形貌的SEM圖。根據(jù)資料可知：在1353 K時，氧氣在純銅中的溶解度可達到44×10-6（質量）［13］。由此可推斷，在本實驗中，電弧產(chǎn)生的高溫會使氧氣溶解在熔融的銅液中，而在后續(xù)冷卻過程中，隨著溫度的降低，氧在銅中的溶解度逐漸減小，溶解在銅中的氧逸出導致形成圖9a所示的氣孔。圖9b中可以看出，銅液噴濺后凝固形成的顆粒大小不同，這是噴濺出來的銅顆粒在凝固之前相遇聚集長大造成的。圖9c和圖9d分別為圖9a和圖9b黃框區(qū)域的EDS點掃描圖。電弧產(chǎn)生的高溫使銅和氧氣反應生成了銅的氧化物，所以通過EDS同時檢測到了銅元素和氧元素的存在。圖9c中檢測不到碳元素存在的原因是金剛石被沉積的噴濺銅嚴密包裹。

為了確定燒蝕后的產(chǎn)物，采用XPS表征手段對燒蝕后的材料表面進行成分測定。圖10為Cu-5vol.% Diamond復合材料燒蝕區(qū)域的XPS光譜擬合圖。

圖10a所求是通過XPS PEAK軟件對碳1s光譜多峰擬合后的結果，碳1s內(nèi)得到了5個峰，擬合后的波形與檢測到的光譜圖契合，其中285.2 eV對應的是金剛石［14］，這是復合材料中固有的成分，284.4 eV對應的是石墨［15］，這表明在電弧的作用下燒蝕區(qū)域的金剛石發(fā)生了石墨化。因為金剛石在高溫下會氧化且XPS的檢測是使用碳作為內(nèi)標，所以在檢測過程中會不可避免地出現(xiàn)碳污染的狀況，從而在多峰擬合后出現(xiàn)C—C鍵、C—O—C鍵、O—C=O鍵［16，18］。圖10b是對氧1s光譜擬合后的結果，在對其進行多峰擬合后出現(xiàn)了530.0 eV和531.1 eV的兩個峰，這分別對應著CuO和Cu2O［19-20］，這表明在空氣氣氛中，Cu-5vol.% Diamond復合材料在經(jīng)過100次電弧燒蝕后，燒蝕區(qū)域中的銅被氧化成了CuO和Cu2O。

3 結論

（1）在多次電弧燒蝕過程中，電弧的生成會隨著電弧燒蝕區(qū)域中的最高突起位置的變化而變化，從而不斷產(chǎn)生在未燒蝕或受燒蝕影響較小的銅基體上。所以多次燒蝕時的擊穿電流會保持在34.0～35.2 A之間，燃弧時間穩(wěn)定在29.5～33.0 ms，且多次燒蝕后的燒蝕區(qū)域較為分散，多為“河流狀”。穩(wěn)定的燒蝕參數(shù)表明了該材料良好的電弧燒蝕穩(wěn)定性，而分散的“河流狀”燒蝕形貌減少了因燒蝕集中給材料帶來的損害。

（2）在電弧產(chǎn)生的高溫作用下，銅出現(xiàn)了熔化和濺射，導致材料表面出現(xiàn)凹坑和突起。而金剛石顆粒的存在，大幅度改善了Cu-Diamond復合材料的抗電弧燒蝕性能，所以燒蝕區(qū)域未發(fā)現(xiàn)裂紋、孔洞等缺陷。金剛石提高Cu-Diamond復合材料的抗電弧燒蝕性能主要體現(xiàn)在兩方面：金剛石顆粒使復合材料具有良好的導熱性能，這將減少電弧所帶來的熱損傷；在電弧燒蝕過程中，均勻分布在銅液中的金剛石顆粒增加了熔池的黏度，減少了電弧引起的噴濺。

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（編輯 王旻玥）

作者簡介：

王 飛，男，1997年生，碩士研究生。研究方向為金屬基復合材料的電弧燒蝕性能和機理。E-mail：wfhfut2020@163.com。

鳳 儀（通信作者），男，1964年生，教授、博士研究生導師。研究方向為復合材料、納米材料。發(fā)表論文130余篇。E-mail：fyhfut@163.com。