耐磨抗烧蚀钨铜触头材料的研究开题报告.docx

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耐磨抗烧蚀钨铜触头材料的研究开题报告

开题报告

题目：

耐磨抗烧蚀铜钨触头材料的研究

1毕业设计（论文）综述

1.1题目背景及研究意义

近年来,由于钨铜复合材料优异的热、电性能，在大规模集成电路和大功率微波器件中应用钨铜材料作为基片、嵌块、连接件和散热元件得到了迅速的发展。

它的高导热及耐热性大大提高了微电子器件的使用功率,使器件小型化；它合适的热膨胀系数可以与微电子器件中硅片、砷化镓等半导体材料及管用陶瓷材料很好地匹配连接，避免热应力所引起的热疲劳破坏。

但是，作为微电子技术应用的钨铜材料，要求它有很高的质量和性能，包括高密度、高结构均匀性和高的热、电性能,是与常规使用的电接触钨铜材料具有完全不同的高质量要求,因此,钨铜复合材料的制取工艺必须要有一个新的飞跃。

根据钨铜复合材料的各项特性，各种新的可能应用还在不断地研究和开发中，如它可以作为重载荷滑动摩擦轴套的加强筋，用作高速旋转和运动的固体密封件；各种仪器仪表中要求无磁、低膨胀、高弹性模量,防辐射屏蔽等特殊要求的零部件；正在发展中的实验聚合反应堆，它还被研究作为承受和传递大热流的装置材料，其他诸如激光器、通讯设备、办公设备以至体育和运动器件也都可以找到钨铜复合材料的用途。

真空开关电器的出现，开发和应用了真空用钨铜复合材料，成为钨铜复合材料重要的应用新领域，这类电器要求真空下使用，品种规格多，使用条件也不相同。

因此，除了要求符合真空条件外，还需开发适合不同用途的钨铜复合材料。

各种先进的电加工技术的发展,成为高耐热、高导电和抗电弧烧蚀的钨铜材料的另一个重要应用领域。

它对钨铜材料的要求,一是尽可能均匀致密，性能稳定；二是品种、规格繁多，以处理加工各种条件和形状的工件[1]。

钨铜复合材料的广阔应用，需要开发新型的材料制备工艺，开发设计新型的材料成分以提高材料的使用性能，目前国内外都在进行着大量的工作，就从目前研究的主要方向来看，梯度结构功能材料、纳米结构材料是钨铜复合材料研究的主要特点，从制备工艺来说粉末冶金工艺由于其具有其独特的优越性而受到材料工作者的广泛关注。

1.2国内外研究现状

W/Cu或Mo/Cu两相复合材料具有较高的导热性和低的热膨胀系数，在大功率器件中被视为一种很好的热沉材料。

近些年来,有关W/Cu或Mo/Cu作为电子热沉材料的研究在国内外已有一些报道。

这些研究主要包括粉末改性、添加活性剂以提高W/Cu或Mo/Cu的烧结密度等。

材料的最高致密度可达99%以上，采用纯度较高的粉末原料，W/15Cu材料的热导率可达200W/mK，Mo/15Cu材料的热导率可达160W/mK。

但是随着功率的进一步增大和使用条件的更加苛刻，对材料提出更高的要求。

均质的W/Cu或Mo/Cu材料已不能满足要求,迫切需要新的高性能热沉材料。

日本学者首先提出了梯度结构功能材料的新概念，并对W/Cu和Mo/Cu功能结构梯度材料从制备工艺、计算机模拟和预测等方面做了大量的研究，取得了实质性的进展,并在大功率器件中发挥了重要的作用。

梯度结构功能材料已成为新型高性能热沉材料的主要发展方向。

国内学者对W/Cu或Mo/Cu材料也已作了很多研究，传统均质材料的性能已接近国际先进水平，但对W/Cu或Mo/Cu功能梯度材料还未展开研究。

钨铜复合材料是有钨和铜两个物理性能差异很大的金属所组成的二相组织材料，其性能随组织的变化而变化，因此，作为梯度材料，它可以一端是高熔点、高硬度的钨或低含铜的钨铜；另一端则是高导热导电和较好塑性的铜或高含铜的钨铜。

这样的梯度材料具有极为特异的功能和良好的应用前景，为了制取梯度结构的钨铜复合材料，Takahashi等采用分层装入不同粒度的钨粉，经冷压、烧结、熔渗铜制取不同组成的钨铜梯度材料，将烧结好的多孔钨坯电化学腐蚀形成沿腐蚀方向具有梯度孔隙率的钨坯，经熔渗铜即可制得具有连续组成变化的钨铜梯度材料[12]。

此外，采用等离子喷涂不同组成的钨铜混合物和分别装入不同组成的钨铜混合粉末压制烧结的亦可以制取钨铜梯度材料。

文献[13]第一次报导了专利（UnitedStatesPatent,6,114,08）采用粉末冶金—溶渗工艺制取新型的各相异性的钨铜梯度材料的方法。

首先，采用粉末冶金方法制取两种成分完全不同的钨铜坯块,采用嵌入的方法，把其中热导率大的钨铜坯块嵌入另一坯块中，由于嵌入的坯块铜含量非常高，热导率也高，而外围的坯块由于较低的铜含量，可保证整个梯度材料的热膨胀系数较低，据文献[13]报导，其有效热导率可高达200W/mK以上，而热膨胀系数只有5.5～7.1ppm/℃。

专利USA6,248,290在专利USA6，114，048和专利USA6，037，006等的基础上发明了一种新型钨铜（钼铜）梯度结构功能材料及制备方法，该梯度结构材料包含一个由W-Cu（Mo-Cu）为主的金属部分和一个以AlN-Al为主的陶瓷部分，这两部分可以很好地结合起来并且具有很高的导热率[1]。

20世纪90年代，发现纳米结构的材料具有常规结晶材料所不具备的特异性能，从而受到材料制造者和应用者的重视，各种类型的纳米材料得到研究和发展。

同样，对纳米结构的钨铜复合材料也进行了开发。

纳米结构的钨铜粉末由于具有良好的烧结性能，成型工艺一般采用注射成型法。

文献[14]报道了通过高能球磨将金属钨粉和铜粉混合进行长时间的研磨，可以制得均匀分布的超细钨铜混合粉末,它具有极均匀的纳米尺寸的钨相和铜相组织，含铜30%（质量百分数）的钨铜混合粉末球磨50h后，可得到20～30nm的钨相，将此纳米粉成型并在较低温度下烧结，可得到相对密度98%，钨晶粒60nm，组织均匀的钨铜复合材料。

含铜20%（质量分数）的钨铜混合球磨50h后，发现复合粉末的X-衍射照片已看不到单独的铜衍射峰，将这种粉末压制烧结后,在X射线照片上消失的铜又重新析出，形成由钨铜两相组织组成的钨铜复合材料[1]。

1.3耐磨抗烧蚀铜基材料的设计思路

开发高强度铜基复合材料遇到的首要问题是铜基材料的导电率和强度难以兼顾，即导电率高则强度很低,强度的提高则是以损失导电率为代价。

目前，铜的强化方式主要有两种方式，一是在基体中加入合金元素，通过合金化强化铜基体而形成铜合金，即合金化法，由于自身的局限性，在保持铜的高导电性同时，对强度的提高有一定的限度，或者强度的提高是以牺牲导电性为代价的；二是在基体中加入高熔点、高硬度的陶瓷粒子，产生弥散强化,即复合材料法。

复合材料法既能同时发挥基体材料和强化相的协同作用，又具有很大的设计自由度，同时不会明显降低铜基体的导电性，而且由于强化相的作用还改善了复合材料的室温及高温性能,成为研制高强度导电（热）铜基材料发展的主要方向。

复合材料是通过先进的材料制备工艺,将两种或两种以上化学、物理性质不同的材料组分，以所设计的形式、比例和分布组合而成的新型材料。

通常有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相，称为增强相。

由于复合材料保持了各组分材料性能的优点并增加单一组成材料所不能达到的特殊和综合性能，因此是一种具有很大发展潜力的高性能新材料。

根据增强物的形态不同可将铜基复合材料分为连续增强（纤维增强）和非连续增强（颗粒增强）两大类。

连续增强铜基复合材料增强物包括W、Ta等金属纤维和碳纤维，纤维承受主要载荷，基体只是传递和分散载荷。

其强度取决于纤维的强度、纤维与基体界面粘结强度等因素。

非连续增强铜基复合材料的增强物包括各种颗粒、晶须和短纤维。

非连续增强物的加入使材料具有较高的耐磨性、耐热性、高温力学性能和较低的热膨胀系数，并且使材料获得各向同性的性能[4]。

钨具有高的熔点、高的密度、低的膨胀系数和高的强度。

铜具有很好的导热、导电性，钨与铜组成的W-Cu复合材料兼具W和Cu的优点,如高的高温强度，高的导电导热性、好的抗电蚀性、较高的硬度、低的热膨胀系数和一定的塑性等。

而且可以通过其组成比例的改变控制和调整它各个相应的机械和物理的性能。

此外，它还具有由于两者组合而产生的新的性能，如它在高温条件下，由于所含有的铜的蒸发吸热而产生的自冷却作用。

金属间化合物以其优异的耐高温、抗氧化、耐磨损等优良特性,受到材料界的青睐，并被誉为半陶瓷材料，是介于高温合金和陶瓷之间的最有希望的高温结构材料之一。

根据铜铝二元相图知，在600℃左右会形成CuAl2相，其耐磨性较高，所以设想在铜粉中加入铝粉以提高耐磨性。

1.4机械合金化法

机械合金化（MechanicalAlloying，MA）又称高能球磨，是指将一定粒度的金属或合金粉末在高能球磨机中通过粉末颗粒与磨球之间长时间激烈地冲击、碰撞，使

粉末颗粒反复发生冷焊、断裂，从而获得合金化粉末的一种粉末制备技术。

该工艺最早是在1969年由美国的本杰明等人研制的一种新的材料制备技术，经过几十年的发展，目前已经成为一种重要的材料制备技术。

其制备的粉料不仅颗粒细小、成分均匀，同时由于表面能高，活性大，具有更大的烧结驱动力和更好的烧结性能。

机械合金化技术在制备纳米结构W-Cu粉末上具有独特的优势，它可以使不互溶的W、Cu等合金元素之间发生相互扩散，最终形成均匀、细化的纳米晶超饱和固溶体，进而可以很好的改善W-Cu复合粉末的烧结性能。

为制备高致密度、性能优越的W-Cu触头材料提供了新的途径，目前已经成为国内外研究的热点。

Syed等人对W-20Cu复合粉末进行球磨，研究发现，采用机械合金化法能显著提高W、Cu之间的固溶度。

Kecske等人主要探讨了球磨介质对粉料性能的影响，认为空气是更为有效的球磨介质。

ManeshianMH和SimchiA采用机械合金化法制备出了W的平均晶粒尺寸为23nm的W-20Cu复合粉末，并研究了球磨时间对复合粉末组织、结构的影响，结果表明随着球磨时间的延长，复合粉末由颗粒状变为层片状，并最终形成均匀细小的球形颗粒。

DarenLi将机械合金化制备的均匀细小的W-40Cu复合粉末，在1200℃烧结2h制备出W-40Cu合金。

该合金相对致密度达到98%，维氏硬度为144HV，电导率达到56%IACS，粉末表现出较高的烧结性能。

国内汪峰涛等人采用机械合金化法制备出纳米粒度的W-15Cu复合粉末，并对之进行了热压烧结，着重研究了机械合金化后复合粉末的烧结性能。

研究表明：

粉末烧结后，烧结体体的晶粒均匀细小，致密度达98%，其抗弯强度超过860MPa，电导率高于33%IACS[5]。

2本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施

2.1本课题研究的主要内容

探索材料合适的成分、成型工艺及其参数，对样品进行性能测试，利用金相显微镜、扫描电镜观察试样的显微组织，分析其原理。

2.2拟采用的研究方案、研究方法或措施

2.2.1研究方案

a.实验材料

根据对材料性能的要求用到的材料主要有铜粉、钨粉、铝粉和锌粉，具体材料要求见表2.1：

b.实验配料

根据对材料的配方设定以及成分设计，具体方案见表2.2：

表2.1本实验用料要求

材料名称

材料要求

电解铜粉

200目纯度≧99.7

Al粉

 纯度≧99.5

W粉

200目纯度≧99.6

Zn粉

 纯度≧99.5

表2.2本实验拟采用方案

方案

Cu（wt%）

W（wt%）

Al（wt%）

添加剂（wt%）

1

44

50

6

2

40

50

5

Zn5

3

25

70

5

4

17

70

4

Zn9

2.2.2研究方法

混粉→压制→热压烧结

混粉：

利用球磨机混粉，低速20h,球磨速度为200转/分。

Cu粉使用前在120℃-150℃下烘干1-2h。

压制：

采用钢模模压成形。

压制坯料尺寸Φ20mm×10mm.成型压力350MPa。

烧结：

大气条件下烧结，将样品1、2升温到1150℃，3、4样品升温到1200℃，保温2h后开始降温至室温。

2.2.3主要测量数据

制成的材料导电性的测定，耐磨性的测定，抗烧蚀能力的测定，金相组织分析，扫描电镜形貌分析。

3本课题前期已开展工作

前期的工作主要了解课题并进行文献查阅，制定实验方案，撰写开题报告。

4完成本课题的工作方案及进度计划

第1-3周做前期准备，查阅相关资料，完成开题报告；

第4周开题答辩；

第5-7周完善设计方案，准备材料，进行实验；

第8周完成中期报告，中期答辩；

第9-10周镜像组织分析，各种性能的测定；

第11-12周对实验的结果进行分析；

第13-14周整理实验结果并写出完整的毕业论文；

第15周毕业答辩。

指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见）

指导教师：

年月日

所在系审查意见：

系主管领导：

年月日

参考文献

[1]李云平,曲选辉,段柏华.W-Cu（Mo-Cu）复合材料的最新研究状况[J].硬质合金.

2001,（18）:

232-236.

[2]王德宝.高性能耐磨铜基复合材料的制备与性能研究[D].合肥工业大学,2008.

[3]李云平,曲选辉,段柏华.W-Cu（Mo-Cu）复合材料的最新研究状况[J].硬质合金.

2001,（18）:

232-236.

[4]刘京雷,阮锋,王尔德等.高强度导电铜基材料的研究现状与发展前景[J].材料导报.

2005,（19）:

8-11.

[5]范景莲,刘涛,朱松等.W-Cu复合材料制备新技术与发展前景[J].硬质合金.2011,（28）:

56-72.

[6]陈仕奇.铜基粉末及材料研究新进展[J].粉末冶金工业.2002,（12）：

37-41.

[7]钱继锋.新型耐磨铜基合金的研制及其耐磨性的研究[D].太原理工大学,2002.

[8]朱晓光，王为民，张咏.陶瓷含量对铜基复合材料性能的影响[J].中国科技论文在线.

[9]王涂根.W-Cu三层梯度热沉材料的制备和性能研究[D].合肥工业大学，2007.

[10]石岩.Cu基粉末冶金摩擦材料激光表面改性研究[D].长春理工大学,2007.

[11]李琰.纯铜表面激光熔覆TiB2/Cu涂层的工艺及摩擦磨损性能研究[D].北京：

北京有色金属研究总院，2012.

[12]Jedmzik,R,NeubrandA,RoderJ,ElectrochemicalprocessingandCharacterizationofgradedW–CuComposites[A],proceedingsofthe14thInternationalplanseeSeminar[C].Reutte,

1997,1～15.

[13]JuanL.Sepulveda,DavidE.Jech,FunctionalGradedCopper/TungstenMetalComposites[C],Proceedingsof2000powdermetallurgyworldcongress,Korea,1461～1464.

[14]MoonIH,RynSS,KimJC.SinteringBehaviorsofMechanicalAlloyedW-CuCompositespowder[A].proceedingsofthe14thInternationalplanseeSeminar[C].Reutte,1997.16～26.

[15]葛毅成，彭可,杨琳等.C/C-Cu复合材料表面等离子喷涂钨涂层[J].

粉末冶金材料科学与工程,2010,（15）:

136-140.

[16]陈雪梅,陈彩风,陈志刚.超声沉淀法制备纳米Al2O3粉体[J].中国有色金属学报,

2003,（13）：

122-126.

[17]丁红燕.粉末冶金法制备Cu-Al2O3复合材料及其性能研究[J].金属热处理,

2007,（32）:

37-40.

[18]刘德宝,崔春翔.氮化物陶瓷颗粒增强铜基复合材料的干摩擦磨损性能研究[J].

摩擦学学报,2006,（26）:

54-59.