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比氧化鋁更強?提高銅合金性能的好幫手--氧化釔
2022年02月10日    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com    |  投稿

銅是與人類關系非常密切的有色金屬,它的導電能力僅次于貴金屬銀,作為電和熱的良導體而被應用于大多數導電領域。但純銅的質地較軟,強度較低,不適合用于電氣電子工業某些工況條件下,因此應用上常被制備成高性能銅合金,以提高強度和耐蝕性。


比氧化鋁更強?提高銅合金性能的好幫手--氧化釔 中國建材網,cnprofit.com

銅合金


不過隨著經濟發展,現代工業對銅合金的綜合性能提出了更高的要求,因此開發出更高強度、更高傳導性能的銅合金成為了研究重點中國建材網cnprofit.com。但通常來講,銅合金的強度和導電性是不能兼顧的,要提高導電性就必然要犧牲強度。要想同時滿足這兩點,目前商業應用上可采用復合材料法來實現。


01 復合材料法

在眾多強化銅合金的優化方法中,復合材料法是重點發展方法。具體是將復合顆粒、各種纖維或晶須等第二相作為增強相,加入到銅基體中,并使其均勻分布,憑借加強強化相自身強度來提高材料整體強度。


雖然彌散分布的強化相粒子會對電子的散射產生一定的影響,從而影響材料的導電性,但是相比較于固溶原子對導電性的影響要小得多。因此復合材料法制備的銅基復合材料可以同時具備高的導電性和高強度。另外,復合材料法還可以根據實際工況需求,選用適當的增強相來提高材料的性能,同時兼顧材料的導電性和強度,獲得最優配合效果,可分為彌散強化及纖維強化兩種方式。


其中,彌散強化銅基復合材料其實就是通過原位復合或非原位復合的方法,向基體中引入高硬度、高熔點、熱穩定性好的氧化物、硼化物、碳化物等陶瓷顆粒來強化銅基體。通過特定的制備工藝,可獲得彌散分布的納米級增強相顆粒,它們熱穩定性良好,在接近銅的熔點時也不會溶解或粗化,因此能有效地提高銅合金的室溫強度,耐磨性和耐腐蝕性。

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氧化鋁銅(Cu-Al2O3)


正因為這一系列優秀的性能,使得彌散強化銅基復合材料在計算機引線框架,連鑄機結晶器,電陽阻焊電極,高速電車的架空導線,大推力航天發動機內襯等高端技術領域有著廣泛地應用,成為高強高導銅合金(或銅基復合材料)領域的研究熱點。


02 選用氧化釔的理由

稀土元素對銅基材料的強化其實有著很重要的意義。它們的化學性質都較為活潑,金屬性極強,可以同一切元素發生反應、相互作用(惰性氣體除外),極易與氧、氮、硫化合生成化合物,作為添加劑已被廣泛應用于工業生產中。


但是稀土元素是無法和Cu形成間隙或置換固溶體的,如此說來稀土元素很難溶于銅,固溶度小,為其他元素首先與稀土元素發生反應提供了條件,生成稀土化合物。因此,稀土元素在銅及其合金中可以起到兩方面的作用:①凈化作用,可以用于脫氧、脫硫,去除鉛、秘等雜質;②微合金化及變質作用,稀土微溶于銅中,并與其它元素反應生成高熔點化合物。

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氧化釔粉體


目前,彌散強化的典型材料是Cu-Al2O3復合材料,Al2O3陶瓷顆粒的熱穩定性好,因此高溫下顆粒的強化效果不會完全消失。但這類材料的彌散相含量有限,因此其強化效果不如沉淀強化銅合金。而氧化釔(Y2O3)與其它陶瓷顆粒一樣在高溫下穩定,不會溶解或分解;Y2O3的晶體結構與Al2O3不同,為類螢石結構,在合適的制備條件下能與基體形成共格界面,這為切割強化機制提供可能;Y元素在Cu中固溶度和擴散速率非常低,這阻礙了原位生成氧化物顆粒時的團聚和粗化,有利于形成納米級Y2O3顆粒,因此Y2O3有可能成為彌散強化銅基復合材料最合適的強化相。


不過,也正是因為Y在Cu中的固溶度小,Y2O3彌散強化銅基復合材料的成分設計變得困難,對此科學家也做了很多研究。如雷源源等采取熱壓工藝,添加體積分數分別是5%、10%、15%、20%的Y2O3制備Y2O3顆粒增強銅基復合材料。觀察其微觀組織發現,Y2O3顆粒與基體結合得很致密,由于Y2O3顆粒很小,呈類圓形狀,它們之間基本上無裂隙存在。隨著Y2O3含量的增加,該系列銅基復合材料的多孔率下降,顯微硬度值上升幅度較大,強化效果較好,耐腐蝕性也得到提高。

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不同Y2O3體積分數下(C為0)銅基復合材料斷口1000 倍下的掃描電鏡圖片



03 進階玩法

如果Y2O3對銅合金性能的增強還不能讓你滿意,其實它還有進階玩法。去年年底,日本東北大學針對核融合爐的散熱裝置用途,在既有氧化釔分散強化銅合金的基礎上開發了一項高強度且具有高傳導性的銅合金。


通過在氧化釔彌散強化銅合金(Cu-1Y2O3)中添加0.81%的鋯粉,以及利用高能水冷球磨與放電等離子體燒結技術,研究團隊成功制備出鋯釔復合氧化物顆粒彌散強化銅合金(Cu-1Y2O3-0.81Zr)。晶粒內部與晶界處形成高密度的fcc結構Y2Zr2O7復合氧化物,并且均勻分散在銅基體中,可使Cu-1Y2O3-0.81Zr合金維氏硬度較Cu-1Y2O3提高1.5倍,達到243HV;室溫屈服應力約為700MPa。


相對于純銅,新合金的熱傳導性在室溫下約為50%,在500℃時為70%,但經過475℃的熱時效處理后,則分別提高到60%、80%。由于已確認釔鋯復合氧化物粒子在氧化物分散強化鋼鐵材料中具有優異的高溫穩定性,因此新合金在高溫下使用時也可發揮優異的特性,有望適用于高溫運作的熱導管或熱交換器等用途。


資料來源:

液相原位反應制備納米氧化釔彌散強化銅基復合材料及性能研究,卓海鷗。

氧化釔彌散強化銅基復合材料的研究,劉婧。

氧化釔顆粒增強銅基復合材料的組織與性能研究,雷源源,張曉燕,田琴。


標簽:今日頭條,建材應用,技術中心,建筑基材,建筑材料,金屬材料
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