合景注册_合景平台-合景娱乐首页所属学科：材料科学与工程项目类别：重点教育部科学技术研究项目项目名称：变温高能球磨Cu-Mo-Si固态反应与高强高导电铜材制备研究项目负责人：**岐项目联系人：**岐联系电话：***-******14、82663190；联系地址：西安市咸宁西路28邮政编码：710049项目起止日期：2004申报学校（盖章）：西安交通大学填表日期：2004一、项目的目的意义和国内外概况随着科技发展以及现代战争对军队装备要求的提高，特别是在大规模集成电路的引线框架、航空发动机、火箭发动机等武器装备中的主动冷却部件和导电部件、高速电气机车的架空导线、大推力火箭发动机内衬等零部件上，对铜材提出新的更高的要求【1-2】，既要具备很高的导电性，还要具备高的强度和高温性能。国外已开发了一系列专利产品，而我国的铜材偏重于仿制和引进。在国际知识产权保护的压力下，开发具有自己知识产权的高性能铜材具有重大的战略意义和现实意义。目前的高导电高强度铜材的发展方向是复合强化【3－5】，而研究大多集中在强化相为不导电的陶瓷相，在强化同时导致导电性下降，再者多采用均一的弥散强化组织，使其导电性的提高受到限制。本项目将利用高能球磨制备具有导电强化相和不同尺度组织特征的高强度高导电铜基复合材料。高能球磨机械合金化是一个固态扩散与反应过程【6－10】。较多的研究在室温下进行，对于具有较好塑性的金属，其冷焊倾向强，需要使用过程控制剂，对反应过程带来影响【10-11】，并会改变研究性质。为解决这一问题，有研究者进行了液氮深冷球磨【12－15】，但超低温度下固态扩散能力的下降会抑制过程进行。结合高强高导电铜材制备，我们提出变温高能球磨固态反应研究，探索脉冲式低温冷却条件下球磨组元的冷焊与断裂过程及其对扩散反应的影响。本项目具有一定的科学研究价值，对于获得具有自主知识产权的高强高导电铜材技术具有重要的指导意义。参考文献[1]王绍雄，铜和铜合金在电子工业中的新趋向，铜加工，1992，N0.3：p6[2]温宏权，高速列车用新型铜合金接触线]张生龙，尹志民，高强高导铜合金设计思路及其应用，材料导报，2003，Vol.17,No.11,pp26-29[4]Ohdispersedaluminamatrixnanocomposites,NanostructuredMaterials,1998,12(2):p267雷景轩,马学鸣,余海峰,朱丽慧，机械合金化制备电触头材料进展材料科学与工程,2002，Vol20,No.3，pp457－460S.RanganathanNovelMaterialssynthesisMechanicalAlloying/MillingInter.Mater.Rev.,1998Vol.43No3pp101-141Suryanarayana,Prog.Mater.Sci.46(2001)机械合金化诱导固溶度扩展机制研究进展[J].粉末冶金技术，Vol20.No2.2002,pp109－112胡壮麒,张海峰,刘智光,叶荔蕾,范国江,生红卫机械合金化制备亚稳材料[J].机械工程材料Ｖｏｌ.25Ｎｏ.5Ｍａｙ2001[10]Nandi,P.P.hattopadhyay,S.K.Pabi,MannaSolidstatesynthesisAl-basedamorphousnanocrystallineAl－Cu－NballoysMaterialsScienceEngineeringA359(2003)11/17[11]过程控制剂对机械合金化过程与粉末特征的影响[J].粉末冶金工业，vol12.No.2，.2002pp7－12[12]Goujonetal.PowderTechnology1999，105，pp328－336[13]Chenetal.,Phys.Rev[J],1993,B48：14[14]XuHeJ.H.MaE，Metall.Trans.[J],1997,28A:1569[15]Whittenbergeretal.J.Mater.Res.[J]1999,14,pp2418-2429二、主要研究内容、目标或经济技术指标2.1研究内容变温高能球磨Cu-Mo-Si合金体系固态反应研究。研究强化相的控制生成技术，获得微观多尺度复合铜基材料组织。进行高导电高强度铜合金的性能测试及其与组织关系分析，优化制备工艺。2.2研究目标揭示在变温高能球磨时组元的固溶扩散与反应机制特征，为高能球磨制备材料的新工艺提供理论基础。获得具有自主知识产权的变温高能球磨制备高导电高强度铜基复合材料的工艺技术。三、已有工作基础和主要研究条件及研究方法和技术路线）高能球磨机械合金化工作基础西安交通大学高能球磨课题组从1992年开始进行高能球磨（机械合金化）新材料的制备研究，分别有三位博士和三位硕士利用高能球磨技术进行了“高能球磨固态反应制备纳米晶金属及其复合材料的研究”、“机械合金化新材料研究”、“机械力活化合成氮化铝研究”、“高能球磨固态反应制备原位生成纳米增强复合材料研究”、“机械力活化氮化铝陶瓷的性能研究”、“高能球磨大容量Mg-Ni储氢合金电极材料研究”等，历时9年多，在纳米结构的粉末制备技术、纳米块体材料方面，以及高能球磨纳米晶的超饱和固溶、快扩散反应方面进行了研究，还研究了高能球磨过程中机械力活化效应，以及在非平衡态（纳米晶/非晶）材料组织获取中的作用及对材料功能性能的影响。自行设计研制成功高性能、多功能、搅拌式高能球磨设备，解决了搅拌球磨动密封的难题，实现了高真空、保护气氛球磨，气氛保护取料，具备中试生产能力，为合成新材料创造了必要条件。在国内外学术期刊及学术会议上发表相关的研究论文四十多篇，其中SCi收录8Ei收录11篇，近年发表文章见附表，在高能球磨机械合金化研究方面具有坚实的理论基础及丰富的技术积累。2）高强高导电铜基复合材料先期的探索研究结果通过两届本科毕业生论文工作，利用高能球磨固态原位反应可以制得不同强化相（高导电的MoSi2、Cu9Al4、CuAl2及陶瓷SiO2、Al2O3等）的铜基纳米晶复合粉末。利用我们在轻质高强复合材料型材研究中的工作积累，将铜基纳米晶复合粉末和纯铜粉末根据具体的要求，进行必要的成分设计后二次球磨混合压坯，然后采用不同的成型工艺（热压、挤压等）已初步获得多尺度的铜合金，其强度不低于420MPa，导电率高于78％IACS的复合铜合金坯材。工作条件1）、已具备的设备条件课题组所在的西安交通大学材料学院，材料检测分析设备较齐衍射分析、扫描电镜分析及透射电镜分析等可在本院完成。本课题组已有一台具备基本功能的高能球磨机，一台新型的多功能高能球磨机。这套新设备附有完善的真空系统、气氛保护系统和循环水冷却系统。还有一台200t压力试验机可满足高能球磨制备新材料的需 2）、尚缺少的实验条件和拟解决的途径实验关键的问题是实现变温球磨，对于搅拌式高能球磨机，由于 球磨筒是固定不动的，略加改造即可实现。XPS STEM分析手段是 关键，这两种分析设备，虽然我院不具备，但是，XPS 我校电子材料 与器件教育部国家重点实验室已具有，STEM 在我校的总体计划中今 年将购臵，可以为我们所用。 3、拟采取的研究方案 利用脉冲式低温冷却实现变温高能球磨，通过以下图示的技术路 线进行多尺度高导电高强度铜基复合材料应用基础研究，为开发高导 强化相元素粉末 纯铜粉末 亚微米尺度的纳米晶复合粉末 变温高能球磨 二次 组织性能分析多尺度复合合金化粉末 多尺度复合铜合金坯材 压制烧结 与致密化 电高强度铜基复合材料提供制备技术基础。 这一技术路线基础是变温高能球磨机械合金化的规律研究。在现有多功能高能球磨机上加装低温控制系统，根据变温高能球 磨温度场设计，自动调节冷却强度，实现脉冲低温冷却高能球磨。按 照形成5％、10％、15％、20％、25％不同的体积比MoSi2 配比Cu、 Mo、Si 组元含量，按正交实验设计工艺参量转速、球料比、球磨时 间，研究在不同变温条件下高能球磨时合金体系的超饱和固溶及原位 反应析出规律。 在自制的多功能高能球磨机上实现设计的不同变温温度场，主要 方法是改变低温冷却的温度和高低温温度的脉冲周期，包括室温 （25）温度平台和低温（-40）温度平台时间。研究在不同变温 条件下高能球磨时合金体系的超饱和固溶及原位反应析出规律。所采 取的主要分析方法有；利用X 射线衍射对球磨粉末进行固溶度变化分 析，采用透射电镜TEM 进行组织分析，结合X 射线光电子分析和高分 辨透射电镜分析研究超饱和固溶组元的固溶位臵特征和反应析出的 化合物。对高能球磨粉末利用示差热分析（DSC）确定析出及反应的 相变温度，以此确定退火温度，对变温高能球磨粉末进行不同温度退 火，结合X 射线衍射相分析研究其组织热稳定性。 这一技术路线的特点是通过两步球磨，获得多尺度铜基复合材料。 在二次球磨时控制球磨工艺参数，在微米晶粒的纯铜基体中分布 有亚微米尺度的强化集团。在压制烧结致密化过程中，借鉴球磨粉末 热稳定性研究结果，控制工艺参量，即压制压力、烧结温度和烧结时 间，使其中的亚微米强化集团内原位形成导电性较好的纳米弥散强化 相MoSi2，从而获得具有多种不同尺度组织特征的铜基复合材料。 在这一技术路线中，由于引入变温球磨工艺，铜合金的高能球磨 无需在添加过程控制剂（PCA）条件下就可以完成，制备的复合粉末 避免了 PCA 介质污染，特别是通过变温球磨寻找出合适的球磨温度 场，既能抑制过度冷焊使球磨过程顺利进行，又可以具有一定程度的 冷焊效果，使合金化过程能够较快进行，并使磨球和筒璧上有适度的 冷焊层防止介质污染，最终得到比较洁净的铜基复合材料，为获得高 导电性复合材料提供工艺保证。 根据导电和力学性能要求进行显微尺度非均匀复合铜基材料设 计，结合多尺度铜基复合材料的组织性能分析，调整球磨和压制烧结 特别是致密化工艺，最终将可以获得高导电高强度的铜基复合材料。 由上述可见，这一技术路线是可行的，不牵扯特殊的分析检测手 段。技术路线中的关键是合适的变温球磨工艺探索，在变温球磨固态 反应的研究中将给予解决。所用到的设备除多功能高能球磨机为已有 的自制设备外，主要是压制烧结和复压、热挤压设备，我们课题组已 经具备,因此这一技术路线没有不可逾越的障碍。 四、项目进度安排及提供成果形式 本项目预计在2 年内完成，研究计划如下： 2004 月：在现有多功能高能球磨机上加装低温控制系统，进行变温高能球磨 Cu－Mo－Si 合金体系研 究，并进行多尺度铜基复合材料制备工艺探索。撰写年 度研究工作报告。 2005 月：进行多尺度铜基复合材料的性能检测和组织分析，优化高能球磨工艺和烧结致密化工艺。系 统总结，撰写研究工作报告 预期研究成果为： 实现脉冲式低温冷却条件下的变温高能球磨工艺，掌握变温高能球磨时组元超饱和固溶和扩散反应的规律，获得具有多尺