姜 營(yíng) 璽，景 棟，張 華 煒，周 秉 文，孟 令 剛，張 丹 寧，張 興 國(guó)

( 大連理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 遼寧省凝固控制與數(shù)字化制備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連 116024 )

0 引 言

微疊層復(fù)合材料具有多層層狀結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想是通過(guò)將多種性能互補(bǔ)層以交替方式循環(huán)堆疊，從而達(dá)到改善整體材料的綜合力學(xué)性能或物理化學(xué)性能的目的．金屬間化合物微疊層復(fù)合材料是依據(jù)貝殼的結(jié)構(gòu)，將強(qiáng)度硬度較高的金屬間化合物層與韌性很好的殘余金屬層循環(huán)堆疊，從而使材料具有較高強(qiáng)度和硬度的同時(shí)，又保留良好的韌性[1]．

目前，國(guó)內(nèi)外已研究了許多復(fù)層材料體系，如Ti/Al[2-4]、Al/Fe[5-6]、Cu/Al[7]、Ni/Al[8]和Al/Mg[9-11]，而采用熱壓法制備鋁銅微疊層復(fù)合材料鮮有報(bào)道．鋁銅微疊層復(fù)合材料不僅具有銅材優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，同時(shí)繼承了鋁材輕質(zhì)、耐蝕、美觀和經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)．由于其優(yōu)良的物理性能，鋁銅微疊層復(fù)合材料多被研究開(kāi)發(fā)來(lái)作為一種功能材料而非結(jié)構(gòu)材料．目前鋁銅微疊層復(fù)合材料多應(yīng)用于鋁銅復(fù)合線材、鋁銅復(fù)合板帶和鋁銅復(fù)合接頭．高鐵要提高列車的運(yùn)行速度，就必須加大接觸線的懸掛張力，減小接觸線的線密度，具有高抗拉強(qiáng)度的材料能夠滿足這一要求．由于接觸線為高速列車傳輸所需的電能，要求接觸線的導(dǎo)電性良好，盡量減少傳輸過(guò)程中的電能損耗．因此，強(qiáng)度和導(dǎo)電率、導(dǎo)熱系數(shù)是衡量接觸線材料性能的重要指標(biāo)．

本文綜合利用Al合金密度低、比強(qiáng)度和比剛度高，及Cu合金優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，通過(guò)材料的優(yōu)化選擇及界面設(shè)計(jì)和界面相控制，發(fā)揮層間距小和多界面強(qiáng)韌化效應(yīng)，制備具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性及高導(dǎo)熱性的鋁銅微疊層復(fù)合材料．

1 實(shí)驗(yàn)方法

本文采用真空熱壓法制備鋁銅微疊層復(fù)合材料．使用厚度0.5 mm的商業(yè)T1純銅板和厚度0.5 mm的1060純鋁板作為原始箔材，設(shè)計(jì)出鋁銅微疊層復(fù)合材料進(jìn)行熱壓成形實(shí)驗(yàn)．金屬箔材成分如表1所示．

表1 原始金屬的化學(xué)成分

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中先進(jìn)行樣品表面預(yù)處理，即將金屬箔裁剪成預(yù)定尺寸，將表面打磨、清水洗滌，然后進(jìn)行酒精超聲清洗，表面烘干．鋁銅微疊層復(fù)合材料制備工藝如圖1所示，熱壓過(guò)程的外加壓強(qiáng)保持穩(wěn)定，在升溫階段通過(guò)石墨棒傳遞作用施加在樣品上的壓強(qiáng)為15 MPa，保溫階段由于石墨膨脹，樣品所受壓強(qiáng)增至20 MPa．熱壓溫度分別為530、550、570、580 ℃，熱壓時(shí)間為4 h．對(duì)不同熱壓溫度下制備出的鋁銅微疊層復(fù)合材料樣品進(jìn)行導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能測(cè)試，從而確定一種較優(yōu)的鋁銅微疊層復(fù)合材料的熱壓工藝．

圖1 鋁銅微疊層復(fù)合材料熱壓燒結(jié)工藝

利用EPMA對(duì)原始金屬層之間的擴(kuò)散層微觀組織及相組成進(jìn)行分析，并利用顯微維氏硬度計(jì)測(cè)量垂直于界面方向的顯微硬度分布．

2 結(jié)果及分析

2.1 熱壓溫度對(duì)擴(kuò)散層的影響

對(duì)熱壓燒結(jié)制備出的微疊層復(fù)合材料利用線切割切取中間部分，通過(guò)磨制、拋光制備出金相樣品，隨后利用EPMA對(duì)樣品進(jìn)行顯微觀察及定量分析．

圖2顯示了不同熱壓溫度的樣品在40和 850(400)放大倍數(shù)下的顯微結(jié)構(gòu)形貌．由圖可見(jiàn)，隨著熱壓溫度的升高，微疊層復(fù)合材料的結(jié)合界面愈加明顯，金屬間化合物由“塊”變?yōu)椤皩印?，且其厚度逐漸增長(zhǎng)，同時(shí)擴(kuò)散層的種類也有所增多．如圖2(a)所示，當(dāng)熱壓溫度為530 ℃時(shí)無(wú)法觀察到明顯擴(kuò)散層，而放大到400倍時(shí)(圖2(b))可以觀察到結(jié)合界面處有少量金屬間化合物生成，且其形狀類似半橢圓，上下兩種化合物組合成一個(gè)長(zhǎng)而窄的橢圓．同時(shí)，可以明顯看出結(jié)合界面的更多部位并沒(méi)有化合物生成，而僅僅是兩層金屬原材料的貼合，說(shuō)明此溫度下兩種材料未能形成良好的結(jié)合界面．當(dāng)熱壓溫度升高到550 ℃時(shí)，如圖2(c)、(d)所示，40倍下依稀可以看到擴(kuò)散層的存在，而850倍時(shí)則能夠明顯觀察到由3層不同的擴(kuò)散層構(gòu)成的結(jié)合界面，同時(shí)新形成的擴(kuò)散層較為薄弱．根據(jù)銅鋁二元合金相圖可知，新的擴(kuò)散層產(chǎn)生是因?yàn)闊釅簻囟壬?，原子擴(kuò)散能力增強(qiáng)，使得銅鋁原子擴(kuò)散加劇形成了其他金屬間化合物．而570 ℃和580 ℃熱壓時(shí)，擴(kuò)散層的厚度繼續(xù)增大，并且擴(kuò)散層也增加為4層．在40倍下可以較為清晰地看到狹長(zhǎng)的擴(kuò)散層，850倍下則能明顯觀察到不同擴(kuò)散層的厚度與形貌．與570 ℃相比，580 ℃制備出的樣品擴(kuò)散層的種類相同，但是厚度有明顯增加．

值得注意的是，580 ℃的熱壓樣品擴(kuò)散層中不同程度產(chǎn)生了呈彌散分布的條狀裂紋，裂紋方向一致且均垂直于擴(kuò)散層，如圖2(g)所示．另外，由圖2(h)可見(jiàn)，在靠近鋁側(cè)(右側(cè))的第2個(gè)擴(kuò)散層中產(chǎn)生很多孔洞，然而在其他溫度的樣品中并未發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象，這些彌散孔洞的存在會(huì)嚴(yán)重影響該樣品的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能．

為了確定擴(kuò)散層的成分，利用EPMA點(diǎn)掃描與線掃描功能對(duì)不同溫度熱壓樣品的不同擴(kuò)散層進(jìn)行了測(cè)試．圖3和表2為點(diǎn)掃描的結(jié)果，根據(jù)原子分?jǐn)?shù)的不同可以確定出不同熱壓樣品擴(kuò)散層的數(shù)目和種類．?dāng)?shù)據(jù)顯示，530 ℃的樣品有兩種擴(kuò)散層；550 ℃的樣品有3種擴(kuò)散層；570 ℃和580 ℃的樣品擴(kuò)散層則為4種，這與前述顯微形貌觀察的結(jié)果一致．通過(guò)銅鋁原子比以及查閱銅鋁化合物文獻(xiàn)，可以確定530 ℃的樣品擴(kuò)散層是CuAl2

表2 EPMA定點(diǎn)分析結(jié)果

和Cu9Al4；550 ℃的樣品擴(kuò)散層為CuAl2、Cu9Al4和CuAl；而570 ℃的樣品擴(kuò)散層則由CuAl2、Cu9Al4、CuAl和Cu3Al2組成．由此可以確定中間相的生長(zhǎng)規(guī)律：較低溫度下原子擴(kuò)散相對(duì)緩慢，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后分別在銅側(cè)形成Cu9Al4而在鋁側(cè)形成CuAl2；隨著溫度升高，原子獲得更多的能量，互擴(kuò)散系數(shù)增大，CuAl在CuAl2和Cu9Al4中間區(qū)域生成；溫度進(jìn)一步提升，原子擴(kuò)散更為劇烈，又生成Cu3Al2新相．分析認(rèn)為CuAl2和Cu9Al4兩相率先形成，CuAl相次之，最后生成的是Cu3Al2相．

圖4給出了570 ℃熱壓樣品的EPMA線掃描結(jié)果．從圖中可以看出結(jié)合界面處銅鋁原子含量的變化趨勢(shì)，定性判斷出不同擴(kuò)散層的厚度以及層與層的分界位置(如圖4(b)中虛線所示)．對(duì)比點(diǎn)掃描結(jié)果可以看出570 ℃時(shí)有4種中間相產(chǎn)生，但是線掃描Al原子曲線卻只出現(xiàn)3個(gè)較為明顯的平臺(tái)．這是因?yàn)椴煌拥男盘?hào)接收強(qiáng)度不同，Al原子曲線的接收強(qiáng)度最大值與最小值的值差尚小于700，而且新形成的Cu3Al2相厚度較薄，以至于在接收強(qiáng)度上與含量相差不大的Cu9Al4相難以區(qū)分．但是，Cu原子曲線接收強(qiáng)度的值差高達(dá)4 000，因此可以明顯觀察到Cu3Al2所對(duì)應(yīng)的平臺(tái)．

2.2 顯微硬度分布

圖5(a)為金屬間化合物層的顯微硬度壓痕圖，圖5(b)是鋁銅微疊層復(fù)合材料界面上的顯微硬度分布．從硬度分布曲線可以看出，界面處的硬度分布大致呈現(xiàn)由Cu層和Al層向擴(kuò)散層逐漸增大的趨勢(shì)，且在擴(kuò)散層中部HV硬度達(dá)到峰值841.0．觀察Cu層和Al層的邊緣可以發(fā)現(xiàn)，越靠近擴(kuò)散層的部位硬度值越高，而且這一現(xiàn)象在Al層邊緣尤為明顯．產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是由于Cu、Al原子相互擴(kuò)散，在形成中間相之前首先形成的是固溶體，固溶強(qiáng)化的作用使得Cu、Al層邊緣硬度升高．另外，可以推斷Cu原子對(duì)鋁材的固溶強(qiáng)化作用要大于Al原子對(duì)銅材的作用．

由圖5可以明顯看出擴(kuò)散層邊緣硬度急劇增加，為此在擴(kuò)散層與Al層的結(jié)合處測(cè)試硬度，如壓痕8和9所示．根據(jù)圖5(a)可以發(fā)現(xiàn)壓痕8和9的形狀完整均勻，沒(méi)有出現(xiàn)裂紋和破碎現(xiàn)象，這說(shuō)明雖然在純金屬層和擴(kuò)散層之間硬度變化急劇，但是并沒(méi)有因此產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力集中引起結(jié)合邊緣的分離，也間接表明該熱壓工藝制備的鋁銅微疊層復(fù)合材料的界面結(jié)合良好．

2.3 鋁銅微疊層復(fù)合材料的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能

樣品的導(dǎo)電性采取國(guó)際退火銅標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)電率作為導(dǎo)電性能參考依據(jù)；樣品的導(dǎo)熱性以ISO 22007-2為參考標(biāo)準(zhǔn)，采用TPS 2500型號(hào)的Hot Disk儀器測(cè)試樣品在25 ℃下的導(dǎo)熱系數(shù)．

依據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)獲得的擴(kuò)散層厚度、導(dǎo)電率和熱壓溫度的關(guān)系如圖6所示．結(jié)果表明，4個(gè)熱壓溫度下制備的微疊層復(fù)合材料的導(dǎo)電率均低于銅、鋁原材料，這是因?yàn)榻饘匍g化合物存在的緣故．也就是說(shuō)，金屬間化合物雖然可以有效連接銅、鋁原材料，構(gòu)成良好的結(jié)合界面來(lái)協(xié)調(diào)銅、鋁之間的受力及變形，但是由于其本身較差的導(dǎo)電率而嚴(yán)重掩蓋了原材料導(dǎo)電性能的優(yōu)勢(shì)，最終表現(xiàn)為微疊層復(fù)合材料的導(dǎo)電率低于兩種原材料．隨溫度升高擴(kuò)散層單調(diào)增厚，樣品的導(dǎo)電率在530～580 ℃溫度區(qū)間出現(xiàn)峰值，即570 ℃下熱壓樣品導(dǎo)電率最優(yōu)．這說(shuō)明對(duì)微疊層復(fù)合材料的導(dǎo)電性能而言并不是擴(kuò)散層越厚越好，而是擴(kuò)散層與銅、鋁層的厚度有合理的匹配．在530～570 ℃溫度區(qū)間，由于有CuAl等新中間相生成，而且這些中間相的導(dǎo)電率均高于Cu9Al4，是以削弱了Cu9Al4拉低整體材料導(dǎo)電率的影響，從而呈現(xiàn)出隨著擴(kuò)散層增厚微疊層復(fù)合材料導(dǎo)電率升高的趨勢(shì)．而在570～580 ℃溫度區(qū)間無(wú)新相生成，580 ℃ 熱壓樣品中存在的裂紋與孔洞會(huì)對(duì)材料的導(dǎo)電率造成影響，因此這個(gè)溫度區(qū)間材料的導(dǎo)電率不升反降．

圖6 擴(kuò)散層厚度、導(dǎo)電率和熱壓溫度的關(guān)系

為了更直觀地分析擴(kuò)散層厚度對(duì)樣品導(dǎo)熱系數(shù)的影響，將擴(kuò)散層厚度、導(dǎo)熱系數(shù)和熱壓溫度等參數(shù)間的關(guān)系表示在圖7中．圖7表明隨著熱壓溫度升高擴(kuò)散層逐漸增厚，然而微疊層復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)卻單調(diào)下降．分析認(rèn)為，金屬間化合物的存在使得銅鋁結(jié)合界面處形成一個(gè)復(fù)合較大的熱阻，嚴(yán)重影響了整個(gè)材料的熱傳導(dǎo)過(guò)程．鑒于擴(kuò)散層增厚的同時(shí)其種類也逐漸增多而整體導(dǎo)熱系數(shù)下降，因此可以推測(cè)后續(xù)生成的CuAl等中間相相較CuAl2和Cu9Al4而言導(dǎo)熱性能變差．

圖7 擴(kuò)散層厚度、導(dǎo)熱系數(shù)和熱壓溫度的關(guān)系

為了更清晰地分析微疊層復(fù)合材料物理性能并確定最佳的制備工藝參數(shù)，將導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能整合為圖8．由圖可見(jiàn)，隨著擴(kuò)散層的厚度不斷增加，樣品的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱系數(shù)的變化趨勢(shì)并不相同．鑒于導(dǎo)電率和導(dǎo)熱系數(shù)并不在一個(gè)水平量級(jí)，不能簡(jiǎn)單通過(guò)數(shù)值大小來(lái)確定最佳制備參數(shù)．因此，定義所測(cè)數(shù)據(jù)最大值與最小值的值差除以最小值再乘以100%為所測(cè)數(shù)據(jù)的值差百分比，利用值差百分比作為綜合分析的一種參考．

圖8 導(dǎo)電率、導(dǎo)熱系數(shù)和擴(kuò)散層厚度的關(guān)系

由圖8數(shù)據(jù)計(jì)算得到導(dǎo)電率和導(dǎo)熱系數(shù)的值差百分比分別為21.9%和4.2%，隨擴(kuò)散層厚度增加樣品導(dǎo)電率的值差百分比是導(dǎo)熱系數(shù)的5倍，即說(shuō)明導(dǎo)電率隨擴(kuò)散層厚度的變化幅度更加劇烈．同時(shí)考慮到樣品導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)保持恒定且優(yōu)于純鋁，因此可以采用側(cè)重導(dǎo)電性能的選擇方案來(lái)確定較為優(yōu)良的熱壓工藝參數(shù)．從圖8可以明顯看出擴(kuò)散層為43.43 μm時(shí)樣品的導(dǎo)電率最優(yōu)，并且此時(shí)樣品的導(dǎo)熱系數(shù)相較最佳值差距不大．所以，確定熱壓溫度570 ℃、保溫時(shí)間4 h為熱壓燒結(jié)制備鋁銅微疊層復(fù)合材料的最佳工藝參數(shù)．

研究結(jié)果也表明，通過(guò)單純熱壓法制備的鋁銅微疊層復(fù)合材料雖然具有較好的導(dǎo)熱性能，但是導(dǎo)電性均不如鋁、銅原材料，因此需要進(jìn)一步優(yōu)化材料設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)，以及采用軋制和熱處理等方法改善金屬間化合物的尺寸和界面形貌，從而獲得具有良好韌性和導(dǎo)電導(dǎo)熱性能匹配的鋁銅微疊層復(fù)合材料．

3 結(jié) 論

(1)鋁銅微疊層復(fù)合材料由高強(qiáng)高硬的金屬間化合物和韌性金屬層構(gòu)成韌脆交錯(cuò)的疊層結(jié)構(gòu)，隨著熱壓溫度的升高，結(jié)合界面處擴(kuò)散層的種類逐漸變多、厚度逐漸增加．

(2)高溫下界面產(chǎn)生4種金屬間化合物相，且CuAl2和Cu9Al4相最先形成，隨后反應(yīng)生成CuAl相，最后生成Cu3Al2相．

(3)鋁銅微疊層復(fù)合材料的導(dǎo)電率呈現(xiàn)出先升后降的變化趨勢(shì)，其中熱壓溫度為570 ℃時(shí)材料的導(dǎo)電率最優(yōu)；鋁銅微疊層復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)出單調(diào)下降的變化趨勢(shì)，其中熱壓溫度為530 ℃時(shí)材料的導(dǎo)熱系數(shù)最佳．

(4)通過(guò)綜合考慮導(dǎo)電率和導(dǎo)熱系數(shù)，確定出熱壓溫度570 ℃、保溫時(shí)間4 h為熱壓燒結(jié)制備鋁銅微疊層復(fù)合材料的最佳工藝參數(shù)．