银铜侧向复合材料界面结合机理分析

本文采用“包覆锭坯+扩散烧结+冷轧复合”联合工艺制备了银铜侧向复合带材,利用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)观察分析银铜复合界面结构和元素分布,并分析其银铜复合界面的结合机理。结果表明,银铜复合界面形成过程为:1)银铜接触界面处凹凸不平的表面在轧制力的作用下相互咬合,形成机械结合界面;2)接触面在轧制力的作用下,银铜表面氧化膜破裂,新鲜表面质点间在轧制变形热的作用下产生原子结合;3)在扩散烧结过程中,银铜界面处的原子在高温作用下被激活,银铜原子相互扩散,在界面处发生银铜共晶反应形成液相金属层,随着烧结时间的延长,其共晶反应液相层厚度逐渐增加,随后冷凝结晶,使银铜实现侧向冶金结合。4)在后续中间退火过程中,共晶层与两侧的铜、银基体相互扩散,铜、银原子向更深的方向逐渐扩散,在靠近共晶层铜侧和银侧逐步形成固溶体层,使银与铜的结合强度进一步提高。银铜侧向复合界面结合机理包含机械咬合结合、接触共晶反应自钎焊结合和原子扩散结合3种,复合界面结合强度较好,剪切强度达220 MPa。

引线框架用高性能铜合金板带材及制备工艺

电子信息产业的飞速发展,对铜及铜合金产品性能提出了更高的要求,其中集成电路封装用引线框架材料代表了铜合金板带材发展的较高水平。本文对近年来引线框架用高性能铜合金板带材及制备工艺进行了综述,介绍了国内外高性能铜合金板带材料的成分和制备加工技术及发展过程,并对其未来发展趋势进行了展望,提出未来高性能铜板带材性能将朝着抗拉强度为700 MPa、导电率为70%IACS的目标发展,其制备工艺将向着智能化、绿色化、高效化等方向发展。

原位合成颗粒增强铜基复合材料的研究进展

弥散强化型铜基复合材料,兼具优异的导电导热性能、高强度、良好的热稳定性和耐磨性,是核反应堆、航空器及高端装备中各种导电导热元件的关键材料,在核电、航空、交通、军事等诸多重要领域有不可替代的作用。原位合成法是在一定温度下金属基体内发生化学反应,原位生成一种或几种陶瓷增强体的技术。原位反应制备颗粒增强铜基复合材料存在两个重要的问题亟待解决:一是增强相的团聚问题,二是增强相的尺寸调控问题。本文总结了几种较为常用的制备弥散强化型铜基复合材料的原位合成方法,并对比分析了几种方法的特点、优劣及技术难点。同时,本文综述了原位合成法对铜基复合材料中颗粒尺寸和分布的影响,分析了原位合成法不同参数对复合材料力学及综合性能的影响规律,并从增强相颗粒形核与生长的原理出发,提出了促成细小弥散颗粒增强相的工艺方案。

基于有限元模拟的水平连铸TP2铜管坯一次冷却结构优化研究

对比多种结晶器结构下温度场、速度场等分布状态及石墨模具内部温度变化趋势,探究其对铜套、石墨模具等易损件及铜管铸坯温度变化的影响。结果表明,在一次冷却结构增设12道Φ10 mm且倾斜角度为30°的流槽,可使冷却水流态平稳均衡,铜套受热均匀,有利于铸坯周向同时凝固。本文通过有限元软件模拟铜管水平连铸过程一次冷却结构优化对温度的影响,为生产企业改善产线冷却效果,提高产品质量,降低模具成本和延长使用寿命,提供了实验参照和理论指导。

La_(2)O_(3)掺杂Ti_(3)SiC_(2)/Cu复合材料的制备与性能

铜合金作为热管理材料长期服役时,会出现冷-热循环条件下的结构性失效问题,因此考虑将具有低膨胀系数的MAX相材料引入到铜合金中,来降低复合材料的热膨胀性。Ti_(3)SiC_(2)是一种兼具陶瓷和金属的优良特性的三元层状陶瓷材料,具有自润滑、高韧性、高导电性等特点。作为增强相,Ti_(3)SiC_(2)能够提高Cu基复合材料的摩擦性能,降低复合材料的热膨胀系数,因此被应广泛用于电子封装材料、热管理材料等领域。本文将稀土氧化物La_(2)O_(3)引入到Ti_(3)SiC_(2)/Cu复合材料中,研究了La_(2)O_(3)掺杂含量对Ti_(3)SiC_(2)/Cu复合材料物相组成、表面形貌、显微硬度和摩擦因数等的影响。研究发现,利用热压烧结技术能够获得致密度较高的Ti_(3)SiC_(2)/Cu复合材料,相对密度在98.5%以上。适量掺杂La_(2)O_(3)后,Ti_(3)SiC_(2)/Cu复合材料的显微硬度有所增加,能够实现Ti_(3)SiC_(2)/Cu复合材料的弥散强化。随着La_(2)O_(3)掺杂量增加,Ti_(3)SiC_(2)/Cu复合材料的摩擦因数呈现出先降低后增加的趋势。在Cu基复合材料中添加Ti_(3)SiC_(2),能够起到润滑的作用,有利于降低摩擦因数。本研究可为Ti_(3)SiC_(2)/Cu复合材料的工程应用提供试验依据。

TP2铜管精整工序喷墨质量不良原因分析及改进措施初探

在精密铜管精整复绕工序中,涡流探伤装置检测到伤点后会向喷墨装置发送信号,以对铜管表面缺陷进行喷墨标记,但是该过程普遍存在喷墨不良,严重影响了对缺陷的判断。本文介绍了TP2铜管生产线中涡流探伤仪器的工作原理,对原有的涡流探伤仪器、喷墨装置以及喷枪结构进行调研,分析了原有喷墨装置喷墨时存在的漏墨和拖墨问题,探讨了等离子技术与激光刻蚀技术作为喷墨技术替代方案的可能性。文献调研、现有技术分析及其他替代试验的结果表明,采用等离子体表面处理技术对已喷墨铜管进行处理后,可以一定程度地改善铜管拖墨的问题;采用功率为300 W的激光对铜管表面进行刻蚀处理,激光头速度分别为80 mm/s和200 mm/s时,对铜管表面刻蚀呈现出的不同效果,均能够进行缺陷的有效标识。因此,铜管表面激光刻蚀技术可以作为喷墨技术的替代方案。

铜及其合金梯度结构制备及性能研究进展

高性能铜及铜合金由于其高导电性、高导热性、高强度、高耐蚀及可镀性、易加工性等系列优良特性而成为多个领域开发中必不可少的材料。研究发现,梯度结构的存在可有效提高铜及铜合金的强度,同时保持原有的塑性。区别于传统铜及其合金,表面细晶到心部粗晶的逐渐过渡及位错缺陷等的相互作用使梯度结构铜表现出更好的强塑性协同效应,正是这种异质性促使材料性能进一步提升。然而,基于梯度结构材料的异质性,传统铜及其合金的变形机制、制备技术及仿真模拟等并不适用于梯度结构铜及其合金,这使得梯度结构铜及其合金的实际生产应用受到极大限制。鉴于此,本文从梯度结构的制备工艺其性能改善方面综述了现有梯度结构铜及其合金的研究进展,梳理了诸多领域内梯度结构铜及铜合金材料的发展及现状,并分析了梯度结构铜合金材料的研究趋势与应用需求。

铜合金的腐蚀与防护研究进展

铜合金具有良好的导电性和导热性,是应用最广泛的工业材料之一。铜合金服役过程中常与酸、碱、盐等腐蚀介质接触,易引起铜合金的腐蚀,最终导致失效,对生产制造带来危害。提高铜合金的耐腐蚀性有利于进一步扩展其应用领域。本文主要归纳了Cr,Pb,Ti,Al,Mn,Ni以及稀土元素的添加对合金耐蚀性能的影响,通过合金元素的添加可以改变铜合金表面腐蚀产物膜的组成和形貌,减小相与相之间腐蚀电位差,以及减少有害杂质的存在,以此来改善铜合金的耐蚀性能。塑性变形和热处理是改善铜合金力学性能的常用手段,经塑性变形和热处理过后的铜合金,其微观组织形貌和分布发生了变化,因此对合金耐蚀性能也有一定的影响。本文主要从合金化、塑性变形及热处理3个方面对铜合金耐蚀性能影响进行综述,最后对铜合金的腐蚀防护研究进行总结和展望。

水平连铸结晶器内真实换热边界计算及传递模型

连铸结晶器内冷却水的流动、传热和金属液的传热、凝固全耦合计算时,模型计算效率低、收敛性差,而不考虑真实冷却水流场只进行金属液传热-凝固耦合时,模型计算精度较低,可将冷却水流动-传热和金属液传热-凝固过程分别建模,并基于二次开发的温度场量原位传递程序,将模型串联耦合。结果表明,通过耦合流场计算得到的真实冷却边界替代传统均匀界面换热系数的边界条件施加方式,在保证模型计算效率和计算精度的前提下,可准确模拟铸坯晶粒的尺寸、取向和数量,经试验验证,模拟结果与试验结果高度吻合。

改性铜集流体应用于锂离子电池研究进展

随着社会发展和科技进步,能源的过度消耗引发资源和环境问题。近年来,电动汽车等新能源领域的蓬勃发展,促进了电化学储能技术的开发应用。锂离子电池(LIBs)被认为是目前最可靠的先进可充电储能器件之一。在LIBs中,集流体发挥着至关重要的作用,它连接着LIBs内外电子通路,是活性电极材料的支撑基底。目前,商业铜箔作为集流体已经无法满足人们对高性能储能器件的性能要求。因此,对LIBs铜集流体进行改性,是一种解决其性能不足和部分电池缺陷问题的可行方法。由于碳基材料具有高导电性和高机械强度等优点,与铜材料能够实现良好结合和性能过渡,被认为是最契合的优秀改性材料。本文介绍了LIBs中存在的常见问题,针对这些问题,系统总结了近年来铜集流体改性方法,主要包括碳基材料改性以及铜集流体表面改性和结构改性。对于铜集流体碳基材料改性,总结了近年来众多突出成果,包括应用于改性过程中的不同碳纳米材料及其制备过程,以及影响碳纳米材料改性铜基集流体性能的诸多因素。最后对铜集流体在LIBs中的应用和发展趋势进行了展望。

基于机器学习的Cu-Ni-Co-Si合金固溶处理晶粒尺寸预测

Cu-Ni-Co-Si合金在固溶处理后的晶粒尺寸会影响其服役性能。采用3种不同的机器学习方法——BP神经网络、随机森林、长短期记忆网络,分别建立了Cu-Ni-Co-Si合金固溶温度和固溶时间对固溶后晶粒尺寸影响的机器学习预测模型。对比分析3种不同机器学习模型的预测精度,发现BP神经网络模型预测精度最高,其平均相对误差为8.55%。随后采用遗传算法优化BP神经网络。结果表明,所建立的BPGA模型平均相对误差比BP神经网络模型降低了6.47个百分点,其平均相对误差为2.08%,能够有效地为Cu-Ni-Co-Si合金固溶处理工艺参数的选择提供指导。

钨及钨合金强化方法和烧结工艺研究进展

钨及其合金因其优异的性能被广泛应用于核工业、航空航天等极端环境中,但钨固有的低温脆性和重结晶脆性也限制了它的进一步应用。本文结合近年来相关研究,从钨及其合金的成分和制备工艺两方面出发,综述了钨基材料性能方面的改善及其实现方法。成分调控领域有Re,Ta和Nb等元素的固溶强化,以及碳化物和氧化物的第二相强化;制备工艺方面分为场辅助烧结的热压、放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering,SPS)和微波烧结等工艺,以及无场辅助烧结的活化烧结和无压两步烧结方法。最后,总结了现有工艺和技术的发展现状,对不同制备工艺的发展趋势进行了展望。

QAl10-4-4/TC6双金属连接界面组织与力学性能分析

铜合金/钛合金双金属材料能发挥各自的性能优势,兼具轻质、耐磨、高强等优异性能。本文通过真空热压扩散法连接QAl10-4-4铝青铜和TC6钛合金,并采用显微组织观察和剪切强度测试等方法,研究了直接连接和添加AgCuZnCd连接的QAl10-4-4/TC6双金属的界面组织和力学性能,探究了连接参数与中间层对QAl10-4-4/TC6双金属连接质量的影响规律,分析了双金属界面过渡层形成机理,建立了连接工艺-界面组织-力学性能的内在关联。结果表明:直接扩散连接的QAl10-4-4/TC6双金属连接质量较差,生成的金属间化合物导致界面上生长了贯穿长裂纹,剪切强度仅有21 MPa;添加AgCuZnCd连接QAl10-4-4/TC6双金属后界面金属间化合物减少,当连接温度为850℃时,界面剪切强度最大为178.19 MPa,温度超过850℃时,双金属界面强度迅速降低。

Bi_(2)Te_(3)基热电材料输运性质优化策略研究进展

随着能源需求的持续增长和不可再生资源的不断耗竭,世界各国高度关注新型能源的开发,同时也致力于提高工业废热的回收率和利用率。热电材料是一种能够实现热能和电能直接转换的固态介质,以其为核心的热电器件不含运动附件且不排放污染物,已在半导体制冷和局部热管理领域实现商业化,例如户外制冷机、车载冷柜、光电芯片和功率激光器的控温装置等。热电制冷非常适于小空间热源的主动冷却,可能成为下一代通讯和信息技术的热管理难题中唯一可行的解决方案。Bi_(2)Te_(3)基化合物作为近室温区兼具稳定理化性质和优异输运性质的热电材料,一直受到学术界和产业界的广泛关注。本文在概述热电材料研究背景和制备方法的基础上,从能带工程、声子散射工程、热变形工艺、结构低维化等方面对热电性能的优化方法进行了归纳,并对未来机遇进行了展望。

轧制变形量及退火工艺对钼靶材显微组织的影响

钼靶材作为制备钼薄膜的溅射源,其致密性、纯度、粒径及取向分布决定溅射薄膜的品质与性能。为了确定钼靶材轧制的最佳工艺,将钼靶材在60%~90%变形量下以不同工艺条件轧制,并在900~1200℃下以不同温度退火,然后采用精密测量、金相观察、扫描电镜成像(SEM)、 X射线衍射(XRD)、电子背散射衍射(EBSD)等方法表征钼靶成品的理化性能和组织结构,并分析和讨论钼靶材的致密度、晶粒度以及结晶取向等特征关系。结果表明,当轧制变形量为80%~85%时,钼靶致密度达到99.8%,经过1000℃真空退火后,组织均匀性最佳,测得平均晶粒尺寸为57.1μm,同时靶面呈现出显著的{100}晶面择优取向。

TeO_(2)声光晶体及其声光器件的研究进展

随着激光技术的快速发展,声光器件在激光领域的应用逐步延伸,特别是在信号处理、时频转换等领域具有重要且不可替代的应用场景。TeO_(2)声光晶体因其优异的声光特性,常被作为声光器件的核心元件。本文首先概述了声光衍射的基本概念及声光作用原理,包括拉曼-奈斯(Raman-Nath)衍射和布拉格(Bragg)衍射,其次介绍TeO_(2)晶体结构、晶体生长工艺、缺陷分析及性能测试,然后介绍声光器件结构组成、核心元件制备工艺及目前典型的商业化声光器件产品,最后展望了TeO_(2)声光晶体及其声光器件的应用前景。

摩擦纳米发电机在收集蓝色能源上的应用与研究

为了减少碳排放,保护生态环境,人们对海洋资源的开发和研究愈发深入,可再生能源收集技术是该领域研究的重点。其中,摩擦纳米发电机是利用接触电气化现象的最有前途的机械能收集器之一,其具有可利用的机械能资源丰富、材料可得性和可选性广、器件结构相对简单、加工成本低等诸多优势。最近10年,世界各地研究人员在这一领域的研究取得了巨大进展。本文综述了近年来应用于摩擦纳米发电机(TENG)上的各种新型摩擦电材料,介绍了摩擦电材料的选取规则,并总结了对摩擦电材料进行物理表面修饰、化学表面修饰和其他相关改性方式,最后归纳了用于收集蓝色能源的摩擦纳米发电机装置的仿生结构的设计研究进展,并对未来的应用和发展方向进行了展望。

基于大数据技术的皮带预警系统设计

皮带运输机作为矿山重要的运输设备,其性能直接影响生产效率和运行成本。针对现场巡查才能发现皮带运输机异常的问题,本文运用大数据技术对皮带电流进行归纳和分析,设计开发了一套智能化的皮带预警系统,能够及时、准确、有效地发出警报,实现了对皮带异常状态的提前预警。结果显示,预警系统投入使用后,故障平均诊断时间由60 min缩短为5min,减少了系统停机的次数,提高了选矿厂的生产效率。

BN/Cu复合材料摩擦磨损性能与磨损机制研究

通过直流辅助热压烧结制备了氮化硼(BN)颗粒添加量为0.4%~1.2%(质量分数)的BN/Cu复合材料,采用立式销盘摩擦磨损试验机对其进行耐磨性检测,使用扫描电子显微镜(SEM)表征材料磨损前后的表面形貌,同时分析了BN颗粒添加量对复合材料物理性能和摩擦磨损性能的影响。研究结果表明:直流辅助热压烧结制备的复合材料致密度均可达到96%以上,导电率可达80%IACS以上。添加适量的BN颗粒,可以极大提升复合材料的摩擦磨损性能。当BN颗粒的添加量为0.8%时,由于摩擦过程中有润滑膜产生,复合材料的摩擦系数最为稳定,且摩擦磨损性能较为优异,主要由磨粒磨损和轻微的黏着磨损共同作用。

征稿启事

一、征文范围《铜业工程》杂志社长期携手国家铜冶炼及加工工程技术研究中心,邀请全国知名专家学者合作策划或研究撰写以下主题的论文或综述。(1)铜以及有色金属工业领域采矿、选矿、冶金、加工等方面的新理论、新技术、新设备、新工艺。(2)先进铜合金、铜基新材料以及其他金属基复合材料等领域的科学发现和技术创新。(3)有色金属领域的企业数字化以及数智工程,“双碳”战略推进以及矿冶生态与环境新技术。