脉冲磁体用高强高导Cu-Nb复合线材的研究进展

高强高导铜合金材料是集优良物理性能和力学性能于一体的有色金属材料,能够同时具备高强度、高电导率以及高热导率等性能。近年来,铜合金材料备受关注,在脉冲强磁场、转换开关、电接触器、引线框架及电车和电力火车导线等诸多领域展现出广阔的应用前景。Cu-Nb复合线材作为一种典型的高强度、高电导、高导热铜基复合材料,是制备超高场脉冲磁体的首选导体材料。本文系统总结了脉冲强磁场发展史,脉冲磁体导体材料用Cu-Nb复合线材的主要制备技术,芯丝结构演变特征,材料的热稳定性、强化机理及导电机理等方面的研究进展,最后指出了目前我国脉冲强磁场突破110 T所需Cu-Nb复合线材存在的问题及面临的挑战,并提出了关于未来研究重点的建议。

金属复合线材成形工艺的研究开发概况

金属复合线具有广阔的开发与应用前景。目前已开发的产品有铜包钢线、铝包钢线、铜包铝线以及纤维增强金属复合线等。从电镀法到连续挤压包覆、反向凝固等,生产技术不断进步。开发高效、低能耗、短流程的先进工艺是复合线材制备工艺的重要发展方向。综述了金属复合线材成形工艺的研究开发概况。

Cu/Nb微观复合线材中Cu沿径向的织构研究

本文利用电子背散射衍射(EBSD)技术,对含不同铌芯丝数的Cu/Nb微观复合线材中的Cu沿径向的织构进行了表征。结果表明:复合线材在拉拔过程中,各层织构存在差异,织构种类由表及里减少,且主要向平行于拉拔方向的<111>丝织构聚集;对于复合不同道次的样品,在相同部位,变形量大的线材内部织构更集中于<111>织构组分。

铜包铝复合线材制造技术的发展现状与前景

介绍了铜包铝复合线材的性能构特点与应用情况。对铜包铝复合线材的工艺方法与最新研究进行了总结,探讨了铜包铝复合线材制造技术的发展趋势,认为减少工序,实现连续化生产是工艺研究与开发的方向。

铜包钢复合线材的滑动拉拔过程

在连续拉拔时，铜包钢线的变形组织不大均匀，其拉拔应力也比钢丝拉拔的小。提出了适合铜包钢线拉拔的等滑动率法，降低了功率损耗，减轻了塔轮和线材的表面损伤。

铜包铝复合线材静液挤压加工工艺研究

静液挤压是一种在完全等静水条件下实现大变形的塑性加工方法 ,介绍了利用静液挤压进行铜包铝复合线材的工艺方法 ,通过优化工艺参数 ,静液挤压加工的铜包铝线材实现了铜、铝的冶金结合 ,其电气、力学性能满足美国

铜包钢复合线材的挤压成形工艺试验

对采用挤压法制造铜包钢双金属导线的工艺参数作了全面实验研究，并与其它方法进行了对比分析。研究表明变形程度、摩擦条件及挤压后热处理规范对两种金属的焊合强度影响最大。给出了这些参数较合理的配合。

铜包Q195钢复合线材的组织与性能

采用复合熔铸-旋煅法制备了铜包Q195钢复合线材,通过拉伸试验、组织观察、电阻率测试等对其力学性能、组织形貌及电学性能进行了研究。结果表明:熔铸后铜和钢的结合面呈锯齿状,界面较清晰,组织较为粗大,无中间相形成,旋锻后组织细小;直径为2,3.4,4 mm的钢芯制备的铜包钢复合棒材旋锻后制得的复合线材的抗拉强度分别是260.63,368.83,419.12 MPa,电阻率分别为1.981×10^(-6),1.976×10^(-6),2.035×10^(-6)Ω·cm;旋锻后横截面上钢芯的面积比越大,其抗拉强度越接近纯钢芯的;铜包钢复合线材拉伸断口出现大量韧窝,断裂方式为典型的韧性断裂。

石墨烯强化铜铌复合线材的研究

采用粉末套管法和集束拉拔技术,成功制备出石墨烯包覆铌粉增强Cu-Nb(7~3芯)的复合线材(Cu-Nb-C)和纯铌粉增强Cu-Nb(7~3芯)的复合线材(Cu-Nb)。对两种复合线材的芯丝组态、微观组织进行表征,结果表明,引入石墨烯掺杂的CuNb-C线材的芯丝形态较规则、分布较均匀,这是由于石墨烯优异的润滑特性很好地协调了Cu基体和Nb芯丝之间的塑性变形。对不同尺寸的Cu-Nb-C线材和Cu-Nb线材力学性能和导电性能进行测试,结果表明,相比于Cu-Nb线材,Cu-Nb-C线材的力学强度虽然仅提高了几十兆帕,但其导电性明显增强,提高了近9%。石墨烯本身优异的特性及线材芯丝的均匀分布是其导电性提高的主要原因,本实验研究可为发展新一代高强高导Cu-Nb复合线材提供一些理论依据和实验基础。

桉木-PLA复合线材制备与FDM-3D打印应用

为拓展桉木的高值清洁利用领域、丰富熔融沉积法(FDM)3D打印耗材,桉木粉末进行碱处理后,引入马来酸酐接枝(POE)相容剂,再与聚乳酸(PLA)复合,制备出桉木-PLA复合线材;基于响应面试验设计与分析方法,优化桉木-PLA复合线材的制备工艺参数;对桉木-PLA复合线材进行测试与表征;优化FDM-3D打印的工作参数,并制作了产品。结果表明:当桉木粉末的质量分数为15.6%、 POE相容剂的质量分数为5.1%、挤出成形温度为170℃时,制备出的桉木-PLA复合线材的热稳定性好、强度高、韧性好;针对直径为1.75 mm的桉木-PLA复合线材,当打印温度为210℃、填充率为60%、层高为0.3 mm、打印速度为30 mm/s时,FDM-3D打印作品的静曲强度、冲击韧性、肖氏硬度以及表面粗糙度最佳,可满足家居及办公摆件、工业品辅助件的要求。

尺寸变化对Cu-Nb/C复合线材微观组织及性能的影响

采用集束拉拔技术制备出石墨烯包覆铌粉增强Cu-Nb多芯复合线材,线材尺寸为Φ2.0mm时,强度接近400 MPa,导电率达到83%IACS.选取不同尺寸线径(Φ3.0 mm、Φ2.4 mm、Φ2.0 mm)的复合线材,采用XRD衍射仪和SEM扫描电镜等测试手段表征了不同尺寸线材的衍射峰强度、微观组织.结果表明Cu-Nb/C复合线材不易形成一种沿Nb<110>方向的锐利织构.随着线材尺寸的减小,芯丝粉末流动性及变形差,其分布不规则,扭曲、拉伸,甚至出现了空洞,铌粉受压后大面积流出,附着在芯丝表面.最后通过σ-ε曲线图和R-T曲线图可以看出,随着线材直径的减小,抗拉强度增大,导电性降低,变形过程符合铜基复合材料的塑性变形机制.且断口明显看到粉末与铜基体完处于分离状态,没有冶金结合,只是通过较弱的机械力结合在一块,因此复合线材的强度不高,脆性较大.

不同增强粒子对PLA/TPU复合线材力学性能的影响

聚乳酸(PLA)因具有优异的生物相容性而备受关注,但其制品脆性大、韧性不佳,应用范围受限.本文分别以还原氧化石墨烯(rGO)、纳米SiO_(2)和rGO-SiO_(2)作为增强粒子制备了rGO/TPU/PLA、SiO_(2)/TPU/PLA、rGO-SiO_(2)/TPU/PLA等3种复合线材,研究FDM成型件力学性能变化规律,探究不同粒子的增强增韧机理.研究结果表明:当rGO的加入质量分数控制在3%以下时,拉伸强度会有所增加,当超过3%时,因石墨烯局部团聚导致其韧性明显下降;纳米SiO_(2)的加入改善了PLA与TPU界面结合性,使得韧性大幅度增加,而拉伸强度略有增加;与单一增强粒子相比,SiO_(2)和rGO结合在一起改善了其在基体中的分散效果,rGO-SiO_(2)杂化粒子的增强增韧效果更佳,FDM成型件的抗拉强度、韧性均得到了明显提升.

Fe3O4含量对聚乳酸复合线材成形工艺性及吸波性能影响

针对目前聚乳酸线材存在性能单一,电磁学及吸波特性不佳的问题.以聚乳酸为基体材料,四氧化三铁为填充材料,利用机械球磨法制备了聚乳酸/四氧化三铁复合粉体.再通过熔融挤出成型工艺制得聚乳酸/四氧化三铁复合线材,研究了四氧化三铁含量对聚乳酸/四氧化三铁复合线材成形工艺性(包括线材表面质量、尺寸、拉伸强度及断裂伸长率)的影响.最后通过双喷头打印机打印出标准的吸波测试试样,研究四氧化三铁含量对吸波性能的影响.结果表明:当四氧化三铁含量在30%以内时,复合线材的表面质量较好;当四氧化三铁含量超过30%时,复合线材的表面出现了沟壑与孔洞的现象.随着四氧化三铁含量的增加,复合线材的直径及不均匀性变大,拉伸强度及断裂伸长率下降.当频段范围为8.2~12 GHz时,四氧化三铁含量为30%的试样吸波性能最佳;当频段范围为12~17 GHz时,四氧化三铁含量为20%的试样吸波性能最佳,其中反射率小于-4 dB的频带宽为3 GHz;当频段范围为17~18 GHz时,四氧化三铁含量为10%的试样吸波性能最佳.

Cu-12%Nb复合线材退火过程中微观组织及力学性能研究

采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)表征了变形态及不同温度退火的Cu-Nb复合线材的微观组织与织构演变,并利用纳米压痕研究了线材硬度随退火温度的变化规律。结果表明,在400~500℃退火时,Nb芯丝开始发生球化,纳米尺度Cu基体开始再结晶。退火后线材织构并没有明显变化,始终保持很强的平行于拉拔方向的<111>_(Cu)//<110>_(Nb)丝织构。分别用复合材料混合法则和约束层滑移(confined layer slip, CLS)模型计算了线材硬度,Nb芯丝球化前,通过约束层滑移模型计算的硬度与实验值匹配较好,当退火温度超过800℃时硬度则符合混合定律。

旋锻复合铜包铍铜线材的组织性能

采用热旋锻-拉拔方法制备了直径为1.4 mm、包覆铜层厚度均匀、界面结合良好的铜包铍铜复合线材,研究了热旋锻、拉拔、中间退火和固溶形变时效对复合线材组织性能的影响。结果表明:合理的旋锻制度为旋锻温度700℃,单道次变形量50%,旋锻两道次,可获得良好的复合界面结合质量。线材拉拔过程中的合理中间退火工艺为(600℃,1 h),此时铍铜基本完成再结晶,界面层没有发生明显增厚,线材塑性相对较好,断后伸长率为38.5%。线材合理的固溶-形变-时效工艺为经780℃固溶10 min后变形拉拔40%,然后再经320℃时效2 h。此时线材综合力电性能较好,抗拉强度为896 MPa,导电率为50.5%IACS。

感应加热连续退火对铜包铝复合线材再结晶组织和界面金属间化合物的影响

研究了在250-470℃下感应加热连续退火对冷拉拔铜包铝复合线材包覆Cu层和Al芯组织、界面层金属间化合物组成和厚度的影响，并与传统炉式等温退火的实验结果进行了比较．结果表明：当感应加热温度为250℃时，Cu层和Al芯只发生回复现象；Cu层和Al芯分别在300和330℃时开始发生再结晶，在430℃时均发生完全再结晶，平均晶粒尺寸分别约为6．0和7．3μm．当温度为360℃时，Cu／Al界面形成了不连续分布的CuAl2金属间化合物；当温度为390℃时，界面形成了连续分布的CuAl2层，430℃时形成了CuAl2和Cu2Al42种化合物层，平均厚度分别约为0．52和0．48μm．进一步升高温度，Cu层和Al芯的晶粒明显长大，界面化合物层厚度呈增大趋势．在本工作实验条件下，冷拉拔铜包铝复合线材合理的感应加热连续退火温度为430℃．与炉式等温退火工艺相比，感应加热连续退火方法可明显细化铜包铝复合线材Cu层和Al芯的再结晶晶粒，显著减小界面金属间化合物层厚度．

石墨烯掺杂对Cu-Nb复合线材微观结构及性能的影响

采用粉末套管工艺,结合集束拉拔技术成功制备出了石墨烯包覆铌粉增强Cu-Nb的7芯复合线材及纯铌粉增强Cu-Nb的7芯复合线材。通过优化热处理工艺,线材在塑性变形过程中的断芯现象得到了明显的改善,尤其是石墨烯包覆铌粉增强Cu-Nb复合线材,其芯丝分布较为规则和均匀,协调变形能力较好。通过对不同尺寸(Φ2.49 mm、Φ2.29mm、Φ2.02mm、Φ1.84mm)的2种线材的微观结构、力学性能及电学性能的分析,结果表明,相比同尺寸条件下纯铌粉增强Cu-Nb线材,石墨烯包覆铌粉增强Cu-Nb线材的力学性能虽然仅提高了几十个MPa,但其导电性明显增强,接近10%IACS,最后分析了2种不同尺寸线材的塑性变形机制及引起线材性能变化的微观机理。

Cu-Nb复合线材在形变与退火过程中显微结构演变的研究

采用SEM和TEM,对不同形变量及退火温度下的Cu-Nb微观复合线材的显微组织结构进行了分析,并对形变和退火试样进行了硬度测试.结果表明:随着形变量增大,材料界面密度及其增加速率逐渐增大.当材料结构达到纳米尺寸时(应变=24.8),界面密度及其增加速率显著增加,使得硬度及其增加速率明显增大,同时伴随有纳米Cu基体内部层错和旋转晶界的产生.退火过程中Cu基体的显微组织变化表现出明显的多尺度效应,其变化可分为3个阶段:微米及亚微米Cu基体先发生回复再结晶,而纳米Cu基体回复再结晶受到抑制;纳米Cu基体回复再结晶;Nb丝球化及长大.

额外纯Cu对Cu-Nb复合线材力学及导电性能的影响

通过拉伸试验和四点测电阻法,对中心含额外纯Cu的Cu-Nb复合线材的力学及导电性能进行测试,并利用SEM观察其微观结构和断口形貌。结果表明:从断口中心到边沿,断裂方式从正断逐渐转向剪切断裂。中间纯Cu有利于导电性和强度的优化。线材的强度随着Nb芯丝间距的减小呈指数上升趋势。当间距小于100 nm时,尺寸效应对强度有显著影响,且77 K下强度随间距减小而增大的速度大于室温下强度随间距减小的速度。而当间距大于300 nm时,尺寸效应对强度的贡献很小。