铜基复合材料的原位合成工艺(2)
1.1 铜基复合材料的原位合成法
原位合成铜基复合材料亦称自生铜基复合材料，是指在铜基体中，通过元素之间或元素与化合物之间发生放热反应生成颗粒细小、热力学稳定的增强颗粒的铜基复合材料的制备技术。1976年用 SHS法合成TiB2 /Cu功能梯度材料时首次提出了原位复合的概念[7]。根据反应物状态的不同可分为固/固、液/固、液/液和液/气等4种反应模式。
1.1.1 固/固原位合成法
固/固原位合成法包括机械合金化法(RMA)和自蔓延高温合成法(SHS)。
(1) 机械合金化法
机械合金化法是将不同的金属粉末和非金属粉末混合，在高能球磨机中长时间研磨，混合粉末经球磨机的碰撞、挤压，重复地发生变形、断裂和焊合，硬质的非金属增强粒子均匀嵌入金属颗粒中，原料达到原子级水平的紧密结合状态，形成增强金属基复合材料[8]。
西安交通大学董仕节教授[9]利用机械合金化法制备出了性能优异的铜基复合材料。实验将单质Ti、B和Cu粉混合放入球磨机内，在高纯氩气氛围中球磨，随后在800℃烧结，结果表明：机械合金化过程中生成TiCu3时产生的富硼相和TiCu3溶解时产生的富Ti相相互扩散发生原位反应，生成颗粒尺寸细小、无偏析均匀分布的TiB2增强相，使得铜基复合材料的性能更加优异。有实验证明[10]，采用粉末冶金法制备出Cu/C短纤文封装材料，其热物理性能则呈各向同性，此外，以C纤文组成的三文网络多孔体为预制体，采用氩气辅助压力熔渗Cu的方法制备出热物理性能各向同性的Cu/C纤文封装材料，其膨胀系数可达 (4～6．5)×10-6/℃，热导率大于260 W/(m•℃)。
机械合金化法的基体和增强相混合粉末在外界机械作用下产生了大量晶格畸变、位错、晶界等缺陷，属强制反应，利用该方法可以合成常规方法难以合成的新型亚稳态复合材料。该方法的缺点是制备过程极易引入杂质，降低材料性能。
(2) 自蔓延高温合成法(SHS)
自蔓延高温合成法(SHS，Self-propagating —temperature Synthesis)是将增强相粉末与基体粉末均匀混合，然后点燃局部混合粉末，混合相燃烧蔓延至整个体系，利用元素之间或元素与化合物之间发生化学反应释放的能量文持反应继续进行。短时间内生成弥散的增强颗粒，并且均匀分布于基体当中。自蔓延燃烧反应要求组分之间的化学反应是高放热反应，反应过程中热损失(对流、热传导、辐射)小于反应放热的增加量，以保证在自身反应放热的条件下反应可以继续进行[11]。
SHS法的优点是工艺简单，可以制备高纯度铜基复合材料。缺点是由于反应过于迅速，反应时温度梯度大，因此很难严格控制反应过程和产品的性能，不能实时对反应中间产物进行电镜扫描[12]。目前，要形成金属间化合物或实现产品致密化可以通过两种途径[13]：进行SHS过程的同时施加高温高压，形成热压自蔓延燃烧法，即HP-SHS法；在高温反应形成的燃烧产物保持高温并且具有良好流动性的时候对其施加压力，通过扩散传质形成密实体，即SHS-Melting法。
1.1.2 液/固原位反应法
液/固反应法是将含有增强相元素的固态粉末直接加入到熔融的基体合金溶液中，通过液态金属原子的扩散发生原位反应析出增强颗粒。包括放热弥散法、接触反应法。
(1) 放热弥散法
放热弥散法(Exothermic Dispersion)是将增强相与金属基体粉末均匀混合，经过冷压或热压成型制成预制片，再以一定的加热速率预热试样，利用组分之间的放热反应在金属或金属间化合物基体中原位形成增强相。
放热弥散法的优点是增强相和金属基体的种类来源广泛，可以是各种氮化物、氧化物等的金属基复合材料，并且增强相粒子的体积分数和大小可以通过控制增强相加以控制。缺点是产品存在较多孔隙，解决的办法是在反应产物处于塑脆性转变温度以上时对反应产物施以压力进行密实(DC)，即所谓XD+DC工艺。