銅業界の知識：高性能銅ベース複合材料の紹介
銅と銅合金は機械的性質が良好で、加工性能が優れており、鋳造や塑性加工が容易です。さらに重要なのは、銅と銅合金は耐食性、熱伝導性、導電性が優れているため、電子電気、機械製造などの産業分野で広く使用できることです。しかし、銅の常温強度、高温性能、摩耗性能は不十分であり、より広い用途が制限されています。現代の航空宇宙および電子技術の急速な発展に伴い、銅の使用に対してますます高い要求が提示されています。つまり、銅の優れた電気伝導性、熱伝導性などの物理的特性を確保することを前提として、銅には高い強度、特に優れた高温機械的特性が求められ、材料には低い熱膨張係数と優れた摩擦および摩耗性能が必要です。わが国初の高速鉄道北京-上海線の総投資額は約200億ドルで、2008年に着工しました。トロリ線の年間需要は約10,500トンです。 明らかに、トロリ線の研究開発、すなわち高強度、高導電性、高耐摩耗性の銅合金機能材料の研究開発は、国内外で大きな市場を持っています。抵抗溶接電極、シーム溶接ローラー、集積回路リードフレームも、高強度、高導電性の銅合金を必要としています。既存の銅と銅合金の高強度と高導電性を考慮することは困難です。そのため、適切な強化相複合強化方法を導入し、マトリックスと機能強化相の相乗効果を十分に発揮させることにより、高性能銅（合金）ベースの機能複合材料の研究開発は、今日世界中でホットな話題となっています。
いわゆる高強度高導電銅合金とは、一般的には、引張強度（Gb）が純銅（350-2000MPa）の2-10倍、導電率が銅の50%～95%、つまり50-95% IACS銅合金を指します。国際的に認められている理想的な指標はδb=600-800MPaで、導電率は80% IACSE以上です。 高強度・高伝導銅合金の主な応用分野は、電子情報産業の超大規模集積回路リードフレーム、国防・軍事産業の電子対抗手段、レーダー、大出力軍用マイクロ波管、高パルス磁場導体、原子力設備・打ち上げロケット、高速鉄道輸送の架空線、300-1250Kw高出力周波数変調速度調整非同期牽引モーターバーとエンドリング、自動車産業の抵抗溶接電極ヘッド、冶金産業の連続鋳造機結晶化装置、電気工学の電気真空装置とスイッチ接点ブリッジなどです。したがって、このタイプの材料は多くのハイテク分野で幅広い応用の見通しを持っています。
高性能銅系複合材料の分類の紹介:
1. 粒子強化銅系複合材料
強化材は主に炭化ケイ素と酸化アルミニウムで、少量の酸化チタンとホウ化チタンの粒子も含まれています（粒子サイズは一般に約10μm）。ウィスカーはそれ自体が優れた機械的特性を持っているだけでなく、一定のアスペクト比を持っているため、粒子よりも金属マトリックスに対する強化効果が顕著です。ウィスカーは一般的に炭化ケイ素とホウ酸アルミニウムのウィスカーを使用しています。合金化プロセスにより、酸化物分散強化と炭化物分散強化の銅ベース複合材料を調製できます。
2. 繊維強化銅系複合材料
銅または銅合金と非金属または金属繊維との複合材料は、銅の高い電気伝導性と熱伝導性を維持するだけでなく、高強度と高温耐性も備えています。このような銅ベースの複合材料を製造する際には、長繊維と短繊維の両方が使用されます。炭素繊維銅複合材料は、銅の優れた熱伝導性と電気伝導性に加えて、炭素繊維の自己潤滑性、耐摩耗性、低熱膨張係数などの特性を備えているため、摺動電気接点材料、ブラシ、パワー半導体支持電極、集積回路ヒートシンクなどに使用されています。銅炭素繊維複合材料の工業生産におけるもう1つの応用例は、路面電車の電動パンタグラフのスライダー、およびスライダートラムと電気機関車の脆弱な部分です。最初は金属製のスライダーが使用され、現在はカーボンスライダーが使用されていますが、どちらも欠点があります。炭素繊維銅複合材料を使用した後、接触抵抗が減少し、過熱が回避され、強度と過負荷電流が同時に向上し、優れた潤滑性と耐摩耗性を備えています。
3. 高性能マイクロコンポジット銅合金
高性能マイクロ複合銅合金材料は、1970年代に超伝導材料の研究中に発見されました。 1978年、米国ハーバード大学のBarkらは、高性能Cu-X合金、Cu-X二元合金の概念を初めて提唱しました。Xには、耐火金属のW、Mo、Nb、TaとCr、Fe、Vなどの元素が含まれます。 鍛造、引き抜き、または圧延後、X金属はワイヤまたはリボンの形で変形方向に分布し、マイクロ複合材料を形成します。 このマイクロ複合銅合金材料は、超高強度（最高引張強度は2000MPa以上に達する）、電気伝導率は82％IACSに達し、耐熱性が良好で、マイクロ複合構造と結晶配向が特徴です。 この材料は、スポット溶接電極として使用されるほか、プロペラや熱交換器としても使用できます。 従来の銅合金材料と比較して、総合金元素は多く含まれていますが、合金元素の種類は少なくなっています。 Cu-X合金は、超高強度、高電気伝導性、優れた耐熱性を備え、人々の注目を集めています。現在、アイオワ大学、ハーバード大学材料学部、AMES研究所、ミシガン工科大学、中国の浙江大学などがこの分野で多くの研究を行っていますが、解決すべき理論的および実用的応用上の問題はまだ多く残っています。
高強度・高導電性銅系複合材料の製造方法の紹介
1. 粉末冶金法
粉末冶金は、粒子強化金属ベース複合材料の製造のために最初に開発され、一般的には粉末の混合、圧縮、脱ガス、焼結などのプロセスが含まれます。粉末冶金は、材料利用率の高いニアネット成形プロセスであり、組織と成分の分離を排除でき、粒子強化相の粒子サイズと体積分率を広い範囲内で調整できます。この方法は、銅ベースの複合材料の構造部品、摩擦材、高伝導性材料を製造する主な手段です。銅とほとんどのセラミック強化粒子の濡れ性が低く、密度の差が大きいため、液体法で複合材料を製造するときに強化粒子の凝集が発生しやすく、第2相の分布が不均一になります。粉末冶金は、金属粉末と強化材を必要な割合で均一に混合できるため、強化材の分布の問題を解決できます。 銅と強化粒子との界面結合強度を高めるために、通常は化学堆積法などの方法を用いて強化粒子の表面をCuやNiなどの金属コーティングでコーティングし、その後、銅粉末と均一に混合して粉末冶金法による複合材料を得る[11]。金属コーティングでコーティングされた強化粒子はマトリックス金属中により均一に分散されるため、強化材同士の直接接触が減少し、強化効果がより効果的に発揮される。同時に、異なる金属でコーティングすることにより、界面構造を改善し、界面結合強度を高め、複合材料の総合的な性能を向上させることができる。
2.複合鋳造法
鋳造は工業的大量生産に好まれる方法です。しかし、鋳造後、この複合材料には通常、補助的な変形プロセスがあります。冷間変形された金属の再結晶化により、変形強化効果が無効になります。ほとんどの金属の再結晶温度は融点の約40％に過ぎないため、鋳造で得られた材料の耐高温性は比較的劣っています。複合鋳造プロセスは、マサチューセッツ工科大学のMCフレミングスらによって提案されました。この方法は、強化相の偏析に対する優れた解決策、簡単な製造プロセスを備えており、複合材料の大規模な工業生産の傾向に適応し、大きな開発上の利点があります。しかし、溶融物の粘度が高いため、複合鋳造はガスや介在物の排出に役立たず、準備された材料に気孔や介在物が存在することがよくあります。また、この方法では温度制御も困難です。
3. 内部酸化法
内部酸化法は、銅系複合材料を製造するための最も一般的な方法の1つであり、均一に分散した微細な分散粒子を得ることができ、強化相の数を正確に制御することができる。このプロセスの典型的な用途は、Cu-A1203分散強化銅系複合材料を製造することである。このプロセスでは、銅に固溶しているが銅よりも酸化物を形成する傾向が大きい合金元素であるアルミニウムを少量銅に加えて銅-アルミニウム合金粉末を製造します。粉末の表面から内部に酸素が拡散し、合金噴霧粉末は高温および酸素雰囲気で内部酸化され、アルミニウムは酸化アルミニウムに変換されます。次に、酸化された銅は水素雰囲気で還元されますが、酸化アルミニウムは還元されず、銅と酸化アルミニウムの混合粉末が作られ、最後に一定の圧力で焼結されます。内部酸化法で作られたCu-A1203の成形および硬化技術にはいくつかの問題があります。 粉末を焼結するのは極めて難しく、プロセスが複雑でコストも高い。内部酸化法の欠点は、プロセスが複雑で、調製プロセスに影響を与える要因が多く、材料の品質を制御するのが難しく、生産コストが高く、このプロセスの適用が大きく制限されることです。
4. 液体金属原位置法
液体金属その場反応法は、近年開発された銅系複合材料の新しい製造技術の1つです。 Leeらは、初めてTiB2 / Cu複合材料の製造に成功しました。 この方法は、2つ以上の合金液体を十分に撹拌・混合し、化学反応によって均一に分散したナノスケールの強化材を生成します。 5vol% TiB2を含むCu系複合材料の導電率は76% IACSでした。 Chrysanthouらは、Cu-Ti溶液にそれぞれカーボンブラック、B203、またはWカーボンブラックを加え、反応させて微細で均一に分散したTiC、TiB2、およびWC粒子をその場で生成し、銅系複合材料を強化しました。 このプロセスで製造された複合材料の強化材は界面汚染がなく、マトリックスとの界面適合性が良好なため、従来の複合材料よりも導電性と機械的強度が高くなっています。
5.急速凝固法
急速凝固法は、冷却速度が速く、初期の核形成過冷却が大きく、凝固プロセス中の成長速度が高いため、固液界面が平衡から外れ、従来の合金とは異なる一連の組織的および構造的特性を示します。急速凝固法は、銅ベースの複合材料を製造する際に次の特徴があります。
（１）合金元素である銅の固溶度が大幅に増加する。
（２）穀物は高度に精製されている。
（３）化学成分のミクロ偏析が大幅に減少する。
（４）結晶欠陥密度が大幅に増加する。
（５）新たな準安定相構造が形成される。
（６）時効処理後、銅マトリックス中の第２相の含有量が増加し、分散度が増加する。
導電率がわずかに低下するだけで、合金の強度が大幅に向上し、合金の耐摩耗性と耐腐食性が向上します。急速凝固技術は、高強度、高導電性の銅系複合材料を製造するための新しい分野を開拓しました。今後、高強度、高導電性の銅系複合材料の急速凝固製造の研究の焦点は、凝固プロセスと老化プロセスの分析を通じて、材料の組成、凝固運動パラメータ、老化プロセスを最適化し、微細構造と性能を向上させることです。
6. メカニカルアロイング法
メカニカルアロイングは、高エネルギーボールミルを使用して金属粉末またはセラミック粒子を一定の割合で混合し、繰り返し粉砕する。複合粉末は、変形、冷間圧接、粉砕、再溶接、再粉砕のプロセスを繰り返し受け、粒子をナノメートルレベルに微細化し、優れた表面活性を有することができる[17]。多数の歪み欠陥の導入により、相互拡散能力が向上し、活性化エネルギーが低下するため、合金化プロセスは通常の固体プロセスとは異なります。したがって、従来の条件下では合成が困難な多くの新材料を調製することができます。銅ベースの複合材料を調製するためのメカニカルアロイングの欠点は、ボールミル処理中に不純物元素が導入されやすく、材料特性、特に導電性が低下することです。同時に、ボールミル時間が長いため生産効率が低くなります。
