[发明专利]一种高结合强度铜铝复合导电材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体地说涉及一种高结合强度铜铝复合导电材料及其制备方法。

背景技术

铜铝复合材料又名铜包铝排、铜包铝母线，其外层为铜，芯部为铝通过复合而成。现有的铜铝复合材料其外层铜和芯部铝的结合方式一般为机械结合，即所谓的铜包铝，其外层铜和芯部铝是在固态作用下通过压合力粘合在一起的，这种结合方式下铜铝界面的结合强度较低，在外力的作用下容易使得铜和铝出现分离现象。在高倍显微镜下观察，没有发现铜铝间有相互的扩散层，将显微镜放大到500～1000倍时进行观察，铜铝界面处有明显的缝隙，说明了机械结合方式下铜包铝材料的结合强度是较低的。专利《一种改进型铜包铝排及其制备方法》（专利号：CN201010591239.2），将铝杆穿过熔融的铜液形成铜铝复合的操作存在困难，由于铝的熔点是660℃，远远低于铜的熔点1083℃，当铝杆穿过熔融的铜液时也会出现熔化而无法进行复合，这种结构的铜包铝排在宏观及微观上无法保证铜铝界面的结合强度。

现有的铜铝复合材料在各种应用领域中除了需要进行常规的折弯、冲孔、铣孔、绞丝、压铆等方式的加工，随着产品使用要求的不断提升，扭转、螺旋及侧弯等加工方式被提出，这就要求铜铝复合材料能够有较好的变形能力和较高的结合强度，保证在完成加工要求时铜铝界面不被破坏。但一般铜铝复合材料的延伸率是3～20%，难以达到扭转、螺旋及侧弯的加工要求，并且在加工后产品表面容易出现橘皮缺陷，铜铝界面容易出现开裂分离现象，这类不良产品在使用过程中产品表面分布的电流密度极度不均匀，开裂分离部位的电流密度相对较大，导致分离部位发热甚至烧穿。另外，开裂分离部位的铜铝之间还可能发生电化腐蚀，造成安全事故。

如上所述，现有的铜铝复合材料不足之处在于：①铜铝之间的结合性能偏弱，没有达到复合材料本质要求的冶金结合状态，对应的结合强度也偏低；②对于扁宽形铜铝复合材料，包覆铜层厚度的分布存在设计问题，窄面包覆铜层的厚度较薄，电流密度较大，不足以支持大电流冲击，并且窄面包覆铜层容易发热，散热性较差；③现有的铜铝复合材料加工性能只能实现常规的折弯、冲孔、铣孔、压铆攻丝等方式的加工，对于新领域应用的扭转、螺旋及侧弯等方式的加工还不能实现。

目前生产铜铝复合材料的方法大致有下列几种：①包覆焊接法，将铜皮包覆在铝杆外表面，通过焊接方法将铜皮接缝焊接起来，再进行多道次的拉拔成型；②套管轧制法，将铝棒套入铜管内，经过轧制压合使铜管与铝棒间固相结合成型的一种方法；③充芯铸造法，将铜管的底部一头封闭，再将熔融的铝液浇入铜管中，铝液凝固后形成铜铝复合棒坯，再经过轧制、拉拔成型；④静液挤压法，采用大型挤压设备将大直径铜管与纯铝棒在大压力下挤压成型；⑤在铝芯表面电镀铜层，再进行拉轧成型。

上述方法①和方法②基本上均采用固态结合法，即通过塑性变形使固态的铜和铝两种金属在依靠外界压力时形成的机械结合，铜铝之间没有明显的相互扩散层，结合强度很低；上述方法③浇注铝液的过程不连续且不稳定，极易造成铜管的烧穿，而且一次浇注的长度有限，所以存在成材率和生产效率低下、产品性能不稳定的问题；上述方法④在国内暂无报道，静液挤压技术在英国有应用，生产商Bruker使用大型静液挤压机将铜管和芯部铝杆挤压变形实现铜铝之间的固相结合，再通过各种模具成型为铜铝复合材料，这种方法对使用设备要求很高，而且不能连续生产，生产效率较低，损耗大，工艺要求复杂，制造成本高，不适宜大批量生产；上述方法⑤电镀铜层的厚度有限，一般电镀厚度远远低于其他方法所用铜管的厚度，并且铜层极易脱落，无法确保产品的质量问题。

发明内容

本发明为了解决上述问题而提供了一种高结合强度铜铝复合导电材料及其制备方法。

本发明的技术方案是这样实现的：一种高结合强度铜铝复合导电材料，包括包覆铜层和铝芯基体，所述包覆铜层和铝芯基体之间形成有原子间结合的冶金结合层，所述结合层厚度为5～35um，结合强度≥40Mpa，结合层中有弥散分布的铜铝金属间化合物，靠近铜基体一侧的扩散层成分均匀，厚度较窄，靠近铝基体一侧的扩散层呈现两种或多种成分相混合的网状结构，厚度较宽，扁宽形铜铝复合材料侧面铜层厚度为平面铜层厚度的1.6～2倍；

制备高结合强度铜铝复合导电材料的方法，包括以下工艺步骤：

1）、熔铝