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高强度高导电率Cu-Nb复合材料
发布人：上海艾荔艾金属材料有限公司
更新时间：2013-07-16
用于脉冲强磁场领域的材料有特殊的要求。在100 T的磁场下磁应力可达4 GPa，要求磁体绕制材料既具有高的强度又具有高的导电性能，其高电导特性可减少焦耳热效应，而它的高强度特性用来承受巨大的洛伦兹力。20 世纪 90 年代Cu-Nb复合材料的出现是脉冲强磁场发展历程上的一个里程碑。Cu-Nb体系呈正生成焓，固态互溶度有限，是一种典型的难混溶合金，具有很多独特的物化性能和工艺性能。Cu-Nb复合材料将高熔点和高强度的Nb与高导电导热性的Cu复合，使该材料具备良好的导电性、导热性，足够的强度、硬度和塑性以及高的热稳定性。将具高强高导性的Cu-Nb复合材料应用于非破坏性脉冲强磁场领域，其抗拉强度远高于铜（其强度及硬度，总体上与Nb含量呈正相关），但电导率仍高。以Cu-l8.2%Nb合金丝为例，室温时极限抗拉强度高达2.2 GPa，电导率仍可有70% IACS。同时，Cu-Nb复合薄膜材料也呈现优异的性能，Cu-Nb薄膜具备高硬度和导电性、良好的电迁移抗性、电介质粘附性和热稳定性，且应力疲劳抗性优良，在微电子器件领域显示出广泛的应用前景。Cu-Nb多层复合薄膜因具有特殊的界面缺陷，对高达150 keV He+离子注入有抗辐照破坏性，在核工业领域也深受关注。
Cu-Nb复合材料的制备，关键在于使 Cu基体内能弥散分布纳米级的Nb粒子，使其强度大幅提高，且仍能保持高导电率。由于Cu-Nb属于难混溶体系，常规的熔铸工艺难以制备均质化的Cu-Nb复合材料。因此，Cu-Nb复合材料的研发重点是围绕 Cu-Nb体系的相分离和均质化问题来展开的。
根据现有研究结果，形变复合法是一种比较成功的Cu-Nb复合材料制备方法。形变复合法包括形变原位和非原位复合法。原位法通过熔炼或粉末冶金法使 Cu、Nb混合均匀，再经过大变形冷轧或冷拉使Cu、Nb同时变形，最终获得 Nb 纤维间距为10～100 nm 的纳米复合材料；形变非原位复合法分为: “熔化—变形”和“捆扎—变形”两种制备方法。前者是将Cu-Nb熔铸成型后装入Cu护套中，采用高温挤压使子线与基体有效结合，然后冷拉到一定直径，再将许多这样变形过的细丝放入Cu护套中，通过热等静压或热挤后再锻造拉拔获得最终成品。 其优点是易于获得无序分布的枝状Nb晶体。后者是将一根Nb杆放入Cu护套中进行热压或焊接使之结合，再经过热挤后冷拉成型，然后将这样制得的Cu-Nb杆重新放入Cu护套中进行上述变形，如此反复多次最终获得成品。其优点在于可获得更规则排列的连续Nb纤维，且因无熔化过程和Cu体相中的污染物，使合金电导率更高。也有报道用机械合金化法制备Cu-Nb复合材料
Cu-Nb复合薄膜的制备方法主要是物理气相沉积法，包括真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜及分子束外延等，其中用磁控溅射和离子束辅助沉积制备Cu-Nb复合材料的研究较多。
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