简介概要

钨纤维的排布方式对钨纤维增强铜基复合材料密度和导电性的影响

来源期刊：稀有金属2013年第2期

论文作者：李锐陈文革王蕾

文章页码：243 - 248

关键词：钨纤维;铜基复合材料;真空熔铸;物理性能;

摘要：采用预埋钨纤维、真空熔铸法制备钨纤维增强铜基复合材料,研究不同钨纤维排布方式对该复合材料密度、导电率等物理性能的影响。研究结果表明:采用直径为0.3 mm的钨丝,编织成相互平行、螺旋旋涡和网状等成型方式预埋于特制的高密、高强和高导的石墨模具中,在1150℃,真空度4×10-2Pa条件下,保温熔铸1～2 h纯铜可以制得钨纤维以所设计的排布方式均匀地分布在铜基体中,无明显偏聚现象,且纤维含量不大于5%的钨纤维增强铜基复合材料。增强相钨纤维与基体铜除极少量的扩散外互不反应也不溶解,两者界面清晰、无孔洞和开裂现象,所得复合材料致密度较高,3种排布方式的相对密度均不小于97%;当钨纤维含量相同时,不同钨纤维排布方式对钨纤维增强铜基复合材料的导电率影响较大,其中单向平行排布方式的导电率最大（94.40%IACS）,空间螺旋网状排布导电率最低（85.62%IACS）。

稀有金属 2013,37(02),243-248

钨纤维的排布方式对钨纤维增强铜基复合材料密度和导电性的影响

李锐陈文革王蕾

西安理工大学材料科学与工程学院

摘要：

采用预埋钨纤维、真空熔铸法制备钨纤维增强铜基复合材料,研究不同钨纤维排布方式对该复合材料密度、导电率等物理性能的影响。研究结果表明:采用直径为0.3 mm的钨丝,编织成相互平行、螺旋旋涡和网状等成型方式预埋于特制的高密、高强和高导的石墨模具中,在1150℃,真空度4×10-2Pa条件下,保温熔铸1～2 h纯铜可以制得钨纤维以所设计的排布方式均匀地分布在铜基体中,无明显偏聚现象,且纤维含量不大于5%的钨纤维增强铜基复合材料。增强相钨纤维与基体铜除极少量的扩散外互不反应也不溶解,两者界面清晰、无孔洞和开裂现象,所得复合材料致密度较高,3种排布方式的相对密度均不小于97%;当钨纤维含量相同时,不同钨纤维排布方式对钨纤维增强铜基复合材料的导电率影响较大,其中单向平行排布方式的导电率最大(94.40%IACS),空间螺旋网状排布导电率最低(85.62%IACS)。

关键词：

钨纤维;铜基复合材料;真空熔铸;物理性能;

中图分类号： TB331

作者简介：李锐(1987-),男,吉林人,硕士研究生;研究方向:粉末冶金及新型功能材料;陈文革(E-mail:wgchen001@263.net);

收稿日期：2012-09-14

基金：陕西省教育厅自然科学基金项目(11JK0813)资助;

Effects of Fiber Distribution on Density and Electrical Conductivity of Tungsten Fiber Reinforced Cu-Based Composite Material

Abstract：

The fiber-reinforced Cu-based composite material of different tungsten fiber distribution was prepared by embedded tungsten fiber and vacuum casting method.And the density and electrical conductivity of the tungsten fibre-reinforced Cu-based composite material were investigated.The results showed that the tungsten fibers of 0.3 mm diameter was woven together with parallel,vortex and space spiral mesh distribution patterns,which were embedded in a special high-density,high-strength and high-conductivity graphitic mold.The non-segregation and content less than 5% uniform distribution fiber as well as with clear interface between the reinforced phase and Cu matrix of fiber-reinforced Cu-based composite material was fabricated by stay warm 1-2 h in 1150 ℃ and the vacuum degree of 4×10-2 Pa.All composite materials entirely had a relatively high density of more than 97%.With the same fiber content,the parallel-pattern material had the highest electrical conductivity of nearly 94.40%IACS,while the electrical conductivity of the spiral-pattern material was 85.62%IACS.

Keyword：

tungsten fiber;Cu-based composite material;vacuum casting;physical property;

Received： 2012-09-14

钨纤维增强铜基复合材料既综合了铜和钨本征的物理特性, 又可通过细观结构的优化使复合材料具有特定的性能和用途, 现已被广泛应用于电子、军事和航天领域 ^[1,2,3,4] 。目前, 国内外对此类复合材料增强机制的研究已经十分成熟, 即钨纤维对铜基体的增强方式主要以单向纤维、二维织物和三维织物存在, 钨纤维既作为载荷的主要承受者, 又对铜基体的微观组织产生影响。但其作为新型结构功能一体化材料, 目前尚未能掌握其所有物理性能的复合规律, 而不同的钨纤维排布方式对其物理性能影响的研究更少见报道。因此, 研究钨纤维的排布方式对复合材料物理性能的影响具有重要的理论及实践意义 ^{[5,6,7,8,9,10,11,12]} 。本研究选择不同纤维排布方式制备钨纤维增强铜基复合材料, 探索其对该类材料物理性能的影响规律, 为此类复合材料的设计提供一定的依据。

图1 钨纤维在基体中的分布方式

Fig.1 Distribution of tungsten fiber in base material (a) Unidirectional parallel distribution; (b) Vortex distribution; (c) Space spiral mesh distribution

1 实验

实验用直径为0.3 mm的钨丝, 将编织成型的钨纤维预埋于特制模具中并固定纤维, 使钨纤维按图1所示的3种排布方式均匀分布在模具中。在模具内分别放置预先计算好质量的无氧铜块, 以保证熔铸后制品所含钨纤维的质量分数约为5%, 在1150 ℃, 真空度为4×10^-2 Pa的条件下, 进行真空熔铸, 冷却时在1080 ℃保温一段时间, 避免出现较大的缩孔, 随后随炉冷却至室温, 工艺曲线如图2所示。

采用双臂电桥法测定不同钨纤维排布方式的钨纤维增强铜基复合材料的电阻, 测量温度为室温(25 ℃), 测量方向沿复合材料轴向, 测量精度为0.02%。密度用ESJ200-4电子分析天平基于阿基米德排水法测得。采用XJL-03型金相显微镜观察显微组织。使用JSM-6700F型扫描电子显微镜观察复合材料界面状况。

2 结果与讨论

2.1 复合材料的显微组织

图3为纤维不同排布方式所制得的钨纤维增强铜基复合材料的显微组织。图3(a)为单向平行排布, 图3(b)为涡卷状排布, 图3(c)和(d)为空间螺旋网状排布的显微组织照片和宏观照片。黑色不规则圆圈包围的部分为钨纤维, 大部分灰色区域为铜基体。

从图3中可见, 图3(a)中纤维沿轴向呈单向平行排布, 图3(b)中纤维沿一定的方向呈涡卷状排布, 图3(c)中纤维呈无规则的螺旋网状排布, 无论何种排布方式纤维在基体中都按照复合材料所设计的排布方式排列, 纤维没有发生偏聚在一起的现象, 基体中无明显孔洞, 基体组织致密, 表明采用预埋钨纤维、真空熔铸法可以制备出钨纤维按要求方式分布的钨纤维增强铜基复合材料。图中黑点为钨丝表面的黑色物质, 其在制样过程中

图2 真空熔铸制备钨纤维增强铜基复合材料工艺曲线

Fig.2 Technics curve of tungsten fibre-reinforced Cu-based composite material prepared with vacuum casting

method

图3 不同钨纤维排布方式所制复合材料的显微组织照片及空间螺旋网状排布的样品

Fig.3 Microstructure of tungsten fibre-reinforced Cu-based composite material with different distribution of tungsten fibre and sample of space spiral mesh distribution (a) Unidirectional parallel distribution; (b) Vortex distribution; (c) and (d) Space spiral mesh distribution

不可避免的附着在了试样表面。图3(a)和(b)中, 钨纤维周围出现的较为明显的黑色区域, 这是抛光过程中界面的不平整造成的。图3(d)为空间螺旋网状排布制品的宏观照片, 从宏观照片中可以看到, 灰色的钨纤维较均匀的分布在铜基体上。

2.2 复合材料的界面状况

对于金属基复合材料, 其界面的类型主要分3种, 分别是Ⅰ类纤维与基体互不反应也不溶解、 Ⅱ类纤维与基体互不反应但相互溶解、 Ⅲ类纤维与基体相互反应形成界面反应层。钨纤维增强铜基复合材料属于典型的Ⅰ类界面, 钨纤维与铜基体不反应也不相互溶解, 其界面结合属于物理结合。它主要由具有粗糙表面的钨纤维与铜基体凝固后出现的机械锚合所提供的结合力和两相间原子中电子的交互作用所产生的引力, 即范德华力来结合。当界面结合状态不好时, 纤维甚至夹杂在铜基体中, 使基体的连续性受到破坏, 导致复合材料的导电性降低。本文利用扫描电镜观察钨纤维空间螺旋网状排布所制得的复合材料两相间的界面结合状态, 并结合能谱图分析真空熔铸法制备钨纤维增强铜基复合材料的界面状况, SEM照片和能谱图如图4所示。

图4(a)和(b)中白色区域为钨相, 灰色区域为铜相, 由图中可见, 钨纤维与铜基体复合后, 形成的复合材料两相之间界面清晰, 表面粗糙的钨纤维与铜基体紧密的结合在一起, 无空洞和开裂现象, 保证了基体的连续性。从图4(b)高倍照片中, 可观察到界面附近铜基体中存在少量微裂纹及微缺陷, 使得复合材料的导电率受到一定的影响, 即加入钨纤维后, 铜基体的导电率会有所降低。图4(c)为界面两侧钨、铜元素的变化趋势, 可以看出, 在钨铜两相界面处两种元素的含量均呈垂

图4 钨铜两相界面结合的SEM照片及能谱图

Fig.4 SEM and spectrum of W/Cu interface (a) Low magnification; (b) High magnification; (c) Spectrum curve of the interface of W/Cu

直下降趋势, 含量几乎降至为零, 证明了钨铜界面为Ⅰ类界面, 钨铜两相既不反应也不相互溶解, 界面清晰, 这一点在SEM照片分析中也得到了论证。但是, 在铜基体内, 有含量极低的钨元素存在, 钨纤维内部也可见微量铜元素, 这是高温下两者少量相互扩散的结果, 扩散区只有几个微米宽。

2.3 复合材料的密度

不同钨纤维排布方式的增强铜基复合材料实测密度及相对密度如表1所示。由表可知, 3种不同钨纤维排布方式的制品, 其实测密度却存在一定的差异, 特别是单向平行排布制品与空间螺旋网状排布制品之间。复合材料的密度是一个平均性能, 它决定于复合材料中各相的密度及他们之间的相对比例。这种相对比例用体积含量表示 ^[13] :

ρ_c=ρ_fφ_f+ρ_mφ_m (1)

式中, 下标c, f, m分别代表复合材料、钨纤维、铜基体; ρ为密度; φ为体积分数。

表1 不同钨纤维排布方式的复合材料密度及相对密度

Table 1Density and relative density of composite material with different distribution of tungsten fibre

Samples	Density/ (g·cm^-3)	Relative density/%
Unidirectional parallel distribution	9.40	98.95
Vortex distribution	9.38	98.44
Space spiral mesh distribution	9.25	97.37

复合材料中纤维的质量分数与体积分数之间的转换关系为:

$φ_{f} = \frac{\frac{ρ_{m}}{ρ_{f}}}{\frac{ρ_{m}}{ρ_{f}} + \frac{w_{m}}{w_{f}}}$ (式中w为质量分数) (2)

从式(1)和(2)中可见, 由于3组制品含钨纤维的质量分数相同, 所以其体积分数也相同, 3组制品的实测密度应相同或相近。造成其实测密度存在差异的主要原因是复合材料内部存在不同程度的少量缩孔。本文使用的真空熔铸法是在真空条件下, 将铜经过高温熔化后流入预埋钨纤维的模具, 直接浇铸成制品的方法。如果真空熔铸的工艺和浇注系统选择不佳, 会使所制备的复合材料出现较多的缩孔, 显著影响材料的致密性。本文为防止大量缩孔产生, 一方面, 采用底注式浇注系统并垂直于钨纤维的方向进行浇铸, 以实现充分填充; 另一方面, 冷却时, 在铜的熔点附近适当的延长保温时间。经过实验的摸索, 最终选择在 1150 ℃, 真空度为4×10^-2 Pa的条件下, 真空熔铸2 h, 冷却时在1080 ℃保温20 min, 随后随炉冷却至室温的工艺。所制得的复合材料其相对密度较高, 均超过97%。

2.4 复合材料的导电率

表2为不同钨纤维排布方式的钨纤维增强铜基复合材料的纵向导电率。从表中可以看出, 复合材料的纵向导电率随着钨纤维排布方式的不同, 呈现出了明显的差别。钨纤维单向平行排布的制品纵向导电率最高(94.4%IACS), 涡卷状排布次之(92.1%IACS), 空间螺旋网状排布最低(85.6%IACS)。无论何种排布方式, 其沿纵向的导电率均较高(>85% IACS), 这是由于3组制品的含铜量均较高, 约为95%。根据能带理论 ^[14] , 二价金属铜的价带是满带, 禁带宽度为零, 价带与较高的空带相交叠, 满带中的电子能占据空带, 因而导电性能比较好。对高价金属钨来说(钨通常呈六价), 价带是未满带, 导电能力没有铜强。故其高含铜量使复合材料获得了较高的导电率。对于单向连续纤维复合材料, 若基体的电导率大于纤维的电导率, 其纵向电导率计算公式如下 ^[15] :

表2不同钨纤维排布方式的钨纤维增强铜基复合材料的纵向电导率

Table 2Longitudinal electrical conductivity of tungsten fibre-reinforced Cu-based composite material with different distribution of tungsten fibre

Samples	Electrical conductivity/%IACS
Unidirectional parallel distribution	94.40
Vortex distribution	92.12
Space spiral mesh distribution	85.62

$C_{L} = C_{m} (1 - φ_{f}) {1 - [\frac{1.77 φ_{f}}{1 - φ_{f}}] Τ^{108}} (3)$

式中, C_m和φ_f分别为基体的电导率和纤维的体积分数; T为热力学温度。

由式(3)可见, 单向连续纤维复合材料电导率与其所含纤维的量负相关。综上所述, 钨纤维的含量对复合材料的导电性有一定的影响, 本文在制备样品的过程中通过控制钨纤维和铜的加入量, 保证了制品的钨纤维含量基本一致, 均约为5%, 因而排除了3组制品中, 钨纤维含量的差异对其导电性的影响。

虽然影响金属基复合材料电性能的主要因素是复合材料的成分, 但本研究中相同成分的钨纤维增强铜基复合材料的导电率随着钨纤维排布方式呈现出了明显差别。借助电子散射机制, 结合复合材料的微观结构认为, 钨纤维增强铜基复合材料中的钨纤维作为第二相, 其排布方式不同对材料中的电子散射作用也不相同, 因此3组制品的导电率出现明显差别。对于钨纤维单向平行排布而言, 钨纤维沿横向并列有序排列, 所以在纵向上钨纤维对电子的散射作用极小, 因而此种排布方式导电率最高。涡卷状排布, 由于在纵向上其排布方式与单向平行排布相类似, 所以二者导电率比较接近, 但是由于其排布方式决定了在纵向上其钨纤维对电子的散射作用较单向平行排布强, 所以其导电率略低于单向平行排布。钨纤维呈空间螺旋网状排布的制品, 其导电率相对于其他两种排布方式明显偏低, 这是由于此种排布方式相对于其他两种排布方式, 钨纤维对铜基体连续性的割裂较大, 使复合材料中Cu, W两相之间存在的界面比其他两种排布方式明显增多, 电子的定向传输过程会受到界面的散射而减弱。因而, 空间螺旋网状排布的导电率最低。