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铜是与人类关系(xi)非常(chang)密切的(de)有色(se)金属，它(ta)的(de)导(dao)电(dian)(dian)能力仅次(ci)于贵金属银，作为电(dian)(dian)和(he)(he)热(re)的(de)良导(dao)体而被应(ying)用(yong)(yong)于大(da)多数导(dao)电(dian)(dian)领域(yu)。但纯铜的(de)质地(di)较(jiao)软(ruan)，强(qiang)度(du)较(jiao)低，不适合用(yong)(yong)于电(dian)(dian)气电(dian)(dian)子工业某些(xie)工况条件下，因此应(ying)用(yong)(yong)上常(chang)被制备成(cheng)高性能铜合金，以提高强(qiang)度(du)和(he)(he)耐蚀性。

铜合(he)金

不过随着经济发(fa)展，现代工业对铜合(he)金的(de)综合(he)性(xing)能提出(chu)了(le)更(geng)高的(de)要求，因此开发(fa)出(chu)更(geng)高强(qiang)度、更(geng)高传导(dao)(dao)性(xing)能的(de)铜合(he)金成(cheng)为了(le)研(yan)究重点。但通常(chang)来(lai)讲，铜合(he)金的(de)强(qiang)度和导(dao)(dao)电(dian)性(xing)是不能兼顾(gu)的(de)，要提高导(dao)(dao)电(dian)性(xing)就必然要牺牲强(qiang)度。要想同时满足这两点，目前商业应用上可采用复合材料法来(lai)实现(xian)。

关(guan)于(yu)复合材(cai)料(liao)法(fa)

在众(zhong)多强(qiang)化铜合金(jin)的优(you)化方(fang)(fang)法(fa)中(zhong)，复(fu)合材料法(fa)是重(zhong)点发展方(fang)(fang)法(fa)。具体(ti)是将复(fu)合颗粒、各种纤维(wei)或晶须等第(di)二相作为(wei)增强相，加入到铜基体(ti)中，并使其均匀分(fen)布，凭借(jie)加强强化相自(zi)身强度(du)来提高(gao)材料整(zheng)体(ti)强度(du)。

虽(sui)然弥(mi)散(san)分布的(de)强(qiang)(qiang)化相粒子会对(dui)电(dian)子的(de)散(san)射产生一(yi)定的(de)影(ying)响，从(cong)而影(ying)响材(cai)料(liao)的(de)导(dao)(dao)电(dian)性(xing)，但是相比较于固溶原子对(dui)导(dao)(dao)电(dian)性(xing)的(de)影(ying)响要小得多。因此复合材(cai)料(liao)法(fa)制备(bei)(bei)的(de)铜基(ji)复合材(cai)料(liao)可(ke)以同时(shi)具备(bei)(bei)高(gao)的(de)导(dao)(dao)电(dian)性(xing)和高(gao)强(qiang)(qiang)度。另外(wai)，复合材(cai)料(liao)法(fa)还可(ke)以根据实(shi)际工况需求，选用适当的(de)增强(qiang)(qiang)相来提(ti)高(gao)材(cai)料(liao)的(de)性(xing)能，同时(shi)兼顾材(cai)料(liao)的(de)导(dao)(dao)电(dian)性(xing)和强(qiang)(qiang)度，获得最优配合效果(guo)，可(ke)分为弥(mi)散(san)强(qiang)(qiang)化及纤维强(qiang)(qiang)化两种方式。

其中，弥散强化铜(tong)基复(fu)合材(cai)料其实就(jiu)是通过原(yuan)位复合(he)或非原(yuan)位复合(he)的方法，向基体(ti)中引入高硬度、高熔点、热稳定性(xing)好的氧(yang)化(hua)物(wu)、硼(peng)化(hua)物(wu)、碳化(hua)物(wu)等陶瓷颗(ke)粒来强化铜基(ji)体。通过特定的(de)制备(bei)工艺，可获得弥散(san)分布(bu)的(de)纳米(mi)级增强相颗粒，它们热稳(wen)定性(xing)良好，在接近铜的(de)熔点时也不(bu)会溶(rong)解或粗化，因此能有效(xiao)地提(ti)高铜合金的(de)室温强度(du)，耐磨(mo)性(xing)和耐腐蚀性(xing)。

氧化铝铜(tong)(Cu-Al₂O₃)

正因为(wei)这(zhei)一系(xi)列优(you)秀(xiu)的(de)(de)性能，使得弥散(san)强(qiang)化铜(tong)基复合(he)材(cai)料在计算(suan)机引线框架(jia)(jia)，连铸机结晶器(qi)，电(dian)阳阻焊电(dian)极，高(gao)速电(dian)车的(de)(de)架(jia)(jia)空导(dao)线，大推力航(hang)天(tian)发动机内衬等高(gao)端技术领(ling)域(yu)有(you)着广(guang)泛地应用，成为(wei)高(gao)强(qiang)高(gao)导(dao)铜(tong)合(he)金(jin)（或(huo)铜(tong)基复合(he)材(cai)料）领(ling)域(yu)的(de)(de)研究热(re)点(dian)。

选用氧化钇的理由

稀土元素(su)对铜基材料的强化其(qi)实有着(zhe)很重要的意(yi)义。它们的化学性(xing)质都较为(wei)活泼，金属性(xing)极(ji)强，可以(yi)同一切(qie)元素(su)发生反应(ying)、相互作用（惰性(xing)气(qi)体(ti)除外(wai)），极(ji)易与氧、氮、硫化合(he)生成化合(he)物(wu)，作为(wei)添(tian)加剂已被广泛应(ying)用于工业生产中。

但是(shi)稀土元素是(shi)无法和(he)Cu形成间隙或置换固溶体的，如此说来稀土元素很难溶于铜，固溶度小，为其他元素首先与稀土元素发生反应提供了条件，生成稀土化合物。因此，稀土元素在铜及其合金中可以起到两方面的作用：①净化(hua)作用，可(ke)以用于(yu)脱氧(yang)、脱硫，去除(chu)铅、秘(mi)等杂质；②微(wei)合金化及变质作用，稀土微溶于铜中，并与其(qi)它(ta)元素(su)反(fan)应生成高熔点化(hua)合物(wu)。

氧(yang)化(hua)钇粉体(ti)

目前，弥(mi)散强化的典(dian)型材料是Cu-Al₂O₃复合材料(liao)，Al₂O₃陶(tao)瓷(ci)颗粒的热稳定(ding)性好，因此(ci)高温下颗粒的强(qiang)化效(xiao)果不会完(wan)全消(xiao)失。但(dan)这类材(cai)料的弥散(san)相含量有限，因此(ci)其强(qiang)化效(xiao)果不如沉淀(dian)强(qiang)化铜合金(jin)。而(er)氧化钇（Y₂O₃）与其(qi)它陶(tao)瓷颗(ke)粒(li)一(yi)样在(zai)高温下稳(wen)定，不(bu)会溶解(jie)或分解(jie)；Y₂O₃的晶体(ti)(ti)结构与Al₂O₃不(bu)同，为(wei)类萤石结构，在合适(shi)的制备条件下能与基体(ti)形成共格(ge)界面，这为(wei)切割强化机制提供可(ke)能；Y元素在Cu中固溶度和扩散速率非常低，这阻碍了原位生成氧化物颗粒时的团聚和粗化，有利于形成纳米级Y₂O₃颗粒，因此(ci)Y₂O₃有(you)可能成为弥散强(qiang)化铜基复合材料最合适的强(qiang)化相。

不过(guo)，也正是因为Y在Cu中的固溶度小，Y₂O₃弥散强化铜基(ji)复合材(cai)料的成(cheng)分设计(ji)变得困难，对(dui)此科学家(jia)也做了(le)很多研(yan)究。如雷源源等采取热压(ya)工艺，添(tian)加体积(ji)分数分别是(shi)5%、10%、15%、20%的Y₂O₃制(zhi)备Y₂O₃颗(ke)粒增(zeng)强铜基复合材料。观(guan)(guan)察(cha)其微观(guan)(guan)组织(zhi)发现，Y₂O₃颗粒与基体(ti)结合得很致密，由(you)于Y₂O₃颗粒很小，呈类(lei)圆形状，它(ta)们(men)之间基本上无裂隙存在。随(sui)着(zhe)Y₂O₃含量(liang)的增加，该系列(lie)铜(tong)基复合材料的多孔率下降(jiang)，显微(wei)硬度值上升幅度较(jiao)大，强化(hua)效(xiao)果(guo)较(jiao)好，耐腐(fu)蚀性(xing)也(ye)得到提高。

不同Y₂O₃体(ti)积(ji)分数(shu)下(xia)（C为0）铜基复合材料断口 1000 倍下的扫描电镜图片

进阶玩法

如果Y₂O₃对铜合金性(xing)(xing)能(neng)的增强(qiang)还不能(neng)让你满意(yi)，其实它还有进(jin)阶(jie)玩法。去(qu)年年底，日本东北大学针对核融(rong)合炉的散(san)热装(zhuang)置用途，在既(ji)有氧化钇(yi)分散(san)强(qiang)化铜合金的基础上开(kai)发了一(yi)项高强(qiang)度(du)且具有高传导(dao)性(xing)(xing)的铜合金。

通过在氧化钇弥散强化铜合金（Cu-1Y₂O₃）中添加0.81%的锆粉，以及利用高能水冷球(qiu)磨与放电等离子体烧结(jie)技术，研究(jiu)团(tuan)队成(cheng)功制(zhi)备出锆(gao)钇复合氧化物颗粒弥散(san)强化铜合金（Cu-1Y₂O₃-0.81Zr）。晶(jing)粒(li)内部与晶(jing)界处形成高密度(du)的fcc结构Y₂Zr₂O₇复合(he)氧化(hua)物，并且均匀分散在铜(tong)基体(ti)中，可(ke)使Cu-1Y₂O₃-0.81Zr合金维氏硬度较(jiao)Cu-1Y₂O₃提高1.5倍，达到243HV；室温屈服应力约为700MPa。

相对(dui)于纯铜，新合金的热(re)传导性在室温下约(yue)为50%，在500℃时(shi)为(wei)70%，但经过475℃的热(re)时效处理后，则分别提高到60%、80%。由于已确认钇锆复合氧化物粒子在氧化物分散强化钢铁材料中具有优异的高温稳定性，因此新合金在高温下使用时也可发挥优异的特性，有望(wang)适(shi)用(yong)(yong)于高温运作的热导管或热交换(huan)器等用(yong)(yong)途。

资料来源：

液相原位反应(ying)制备纳米(mi)氧化(hua)钇弥散强化(hua)铜基复(fu)合材料及(ji)性能研究，卓海鸥。

氧化(hua)钇弥散强化(hua)铜(tong)基复合材料的研究，刘婧。

氧化钇颗粒增强铜基(ji)复合材料(liao)的(de)组织(zhi)与性(xing)能研(yan)究，雷(lei)源(yuan)源(yuan)，张晓燕(yan)，田(tian)琴。

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