高導電性銅

銅具有高的導電性、導熱性、耐磨蝕性能及優良的工藝性能，因而廣泛地應用於電力、電工、機械製造等工業部門。但是純銅的屈服強度一般較低，高温下抗變形能降低，難以滿足多種實際應用的需要。因此，如何在不降低或儘可能少降低銅電導率的前提下，大幅度地提高銅材料強度的問題已成為當前銅合金研究和發展的中心任務之一。

長期以來，在銅材料的研究和製備中存在着高強度和高導電性之間的矛盾。這一矛盾甚至貫穿於整個導電材料研究的始終。為了解決這一問題，主要從兩個方面入手：一方面是強化銅基體；另一方面是設法在銅基體中引入第二相進行強化。相應地形成了兩類製備方法：合金化法和人工複合材料法 ^[1]  。

合金化法是製備高強度高導電性銅材料的基本方法之一。即通過在銅基體中添加一定的合金元素，以形成固溶體或過飽和固溶體。使銅基體發生晶格相變或時效析出強化相，從而獲得高強度和高導電性能兼備的銅合金。合金化法的基本原則有：

1.低合金化和冷作硬化。加入的合金元素總量要少，且這些元素很少降低銅的電導率；

2.時效強化。在加入起沉澱強化作用的元素時，最好使合金元素之間形成不含銅元素的強化相。而且這種強化相在墓體中的固溶度隨温度的降低而急劇減小。合金元素的選擇及其熔鑄工藝成為合金化法的關鍵 ^[2]  。

為了克服合金化法制得的銅合金強度提高不大的不足，人們又廣泛研究了人工加入第二相的顆粒、晶須、纖維對銅基體進行強化，或依靠強化相本身強度來增加銅材料強度的人工複合材料法。按照製備複合材料方法的主要特徵，其大致可分為兩類：粉末冶金法和塑性變形法。

該方法是生產銅及銅合金結構件、摩擦材料、銅碳刷及高電導率銅的重要方法。為了進一步得到高導電性、高強度特別是高温強度的銅材料，近年來迅速發展的氧化物彌散強化（Oxide Dispersion Strengthened）銅。

高的導電導熱性能、優良的抗腐蝕性能、簡單的生產工藝和良好的高温強度使氧化物彌散強化銅獲得了廣泛應用。由於受到製備方法的限制，ODS銅主要應用在製造電阻焊焊條、白熾燈引線、繼電器刀閘及觸頭支承、某些高性能集成電路的引線框架等一些小型件上。

眾所周知，纖維強化是金屬材料迄今為止最為有效的強化方法之一。高強度的第二相纖維成為載荷的主要承擔者，基體金屬僅起着連接纖維相，向纖維傳遞受載時應力及在部分纖維斷裂時承擔局部載荷的作用，材料強度主要取決於纖維相的強度及體積分數。正因為如此，採用塑性變形法制備纖維增強高強度高導電性銅材料的研究，成為近年來繼合金化法及氧化物彌散強化法之後又一引人注目的方法。

綜上所述，合金化法雖然可以使銅材料電導率達到很高，但其固溶強化、時效強化及少量的冷作硬化效果往往有限，銅材料強度一般較低；人工複合材料法儘管可以在相當大的程度上提高銅材料的強度，卻往往由於材料內部缺陷嚴重、導致導電性能惡化，再加上製備工藝的限制，該方法一般只適合於一些高導電性特別是高強度的小型件的製造 ^[3]  。

隨着複合材料技術的發展，自生複合材料得到了迅速發展，該材料以其獨特的優點在高強度高導電性銅合金材料的製備方面顯示出巨大的應用潛力和良好的發展前景。所謂自生複合材料，是指共晶合金、包晶合金或偏晶合金等復相合金在定向凝固過程中，通過合理地控制工藝參數，使基體相和增強相均勻相間、定向整齊排列的一類複合材料。在高強度高導電性銅合金材料的製備方面，自生複合材料至少具有以下優點：

1.均勻、定向排列的第二相纖維使第二相的強化作用得到最大發揮；第二相是在凝固過程中自動析出，兩相界面結合強度高，有利於應力從基體向纖維傳遞；兩相是在高温接近熱力學平衡條件下緩慢生長而成，界面處於低能面狀態，因而具有良好的熱穩定性。因此自生複合材料機械性能高。

2.自生複合材料電導率具有各向異性，當電流方向與纖維排列方向一致時，可有效地增加材料的電導率。纖維在凝固過程中自動生成，避免了大塑性變形對導電性能的不良影響；自生複合材料無人工複合材料中常常存在的界面潤濕及化學反應等不足，提高了材料的完整性，這些都減小了銅電導率降低的程度。

3.定向凝固方法易於與連續鑄造相結合，可大幅度降低銅合金材料的生產成本，特別適於如各種電線電纜銅材的製造。

定向凝固法制備自生複合材料時，基體相和吸化相在單向熱流的控制下逆着熱流方向自動向前生長。在此過程中，固-液界面的控制佔有重要地位。凝固理論指出，只有平界面和胞狀界面才可能保證共，晶組織的獲得 ^[1]  。