第39卷第1期注為科修Vol.39No.1 2021年2月JIANGXI SCIENCE Feb.2021
doi：10.13990/j.&'1001-3679.2021.01.002
邹晋，张友亮，古和今，陆德平，胡强
(江西省科学院,330096，南昌)
摘要：超级铜是指具备超高强度、高导电性、高导热性、高电磁屏蔽性能等优异综合性能的铜基材料。本文从合金种类、研究现状等方面对超级铜进行了综述，并对稀土超级铜的研究和应用前景进行了展望。研究与开发稀土超级铜材料对铜产业升级和稀土产业健康发展有至关重要的作用。 关键词：超级铜；稀土；Cu-Fe；高强度；高导电；电磁屏蔽
中图分类号:TG146.1文献标识码:A文章编号：1001-3679(2021)01-008-05
Research Status of Ultra-Copper and Prospects of RE Ultra-Copper
ZOU Jin,ZHANG Youliang,GU Hejin,LU Deping,HU Qiang
(Jiangxi Academy of Sciences,330096,Nanchang,PRC)
AbstracU:Ultra一Copper is a kind of Cu based material with excellent comprehensive performances such as ultra一high strengthen,high conductivity,high heat conductivity and high electromaanetic shielding.The papeo summarized the alloy types,mrch status of Ultra一Coppeo.Meanwhile,the mrch and application of rare earth in Ultra一Coppeo has been expected.The mrch and development of RE Ultra一Copper materials plays importaint roles for the industry upgrading of copper and the healthy development of rara earth industry.
Key wordt:ultra一Copper;aa earth；Cu-Fe;high strengthen；high ccnductivity;etctromaa-netic shielding
0引言
铜及其合金因其优良的导电、导热、耐蚀和加工性能，是现代工业中应用最广、用量最大的重要有金属材料之一。我国铜材产量连续多年位居全球第一，按照包括各种常用铜材在内的总体产量和进口量计算，通用铜材的国内满足度达到了96%，然而各种高性能铜基材料仍然严重依赖进口，如高强高导铜合金带材、超细丝材、超薄箔材等，难以满足高端装备对于高性能、高精度铜及铜合金的重大需求。基于上述需求，具有优异综合性能的高端超级铜材料逐渐成为铜基新材料研究的新热点。
1超级铜
超级铜材料是指以铜作为基体，通过添加合金元素和大塑性形变工艺，形成具备超高强度、高弹性等优异力学性能和高导电性、高导热性、宽频电磁屏蔽性能等优良物理性能的铜基材料。
Cu-Fe合金(Fe含量5wt.%-50wt.%)，兼
收稿日期：2021-01-05；修订日期：2021-02-25
作者简介：邹晋(1983—)，男，副研究员，博士，主要从事有金属材料研究。
基金项目：江西省重点研发计划项目(20192BEE50036)；中央引导地方专项(20192ZDD01002,20202ZDH02063)；江西省科学院稀土专项(2020-YZD-2)。
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具铜的高导电、高导热、高弹性等优点和铁的耐磨损性、抗拉强度、硬度、铁磁性等特性，是高强高导铜材料的重要研究方向；同时又结合了高导电的铜对高频电磁场的屏蔽效果和铁磁性的铁对低频磁场的屏蔽效果，在未来将成为极具应用前景的宽频电磁屏蔽材料。铜铁合金的性能可以根据铜和铁的合金比率需要自由调整，良好的综合性能和较低的制备成本被认为是极具工业应用前景的超级铜材料。
1.1制备原理
Cu-Fe合金的制备包括原位合金的制备和形变加工。原位合金的制备主要有粉末冶金法和熔铸法打工业化生产主要通过熔铸法制备材料，采用中频感应熔炼母合金，采用模铸或半连铸凝固工艺获得Cu-Fe原位合金铸锭。形变加工是通过热变形预处理(热锻、热轧)和大应变量冷变形(冷轧、冷拔)结合将铸锭制备成带材、箔材或线材。为了提高加工硬化效果和改善电导率，通常在冷变形过程中间和终态增加时效工艺以协调强度和电导率的匹配。
由于Fe在Cu中的室温固溶度非常小(0.0004at.%)，采用熔铸法制备获得的Cu-Fe原位合金，其铸态组织为a-Fe相呈树枝状或颗粒状分布在Cu基体中，经大应变量变形后可形成Fe纤维在Cu基体上排列分布的结构，其相比传统Cu基合金最大的优点是Fe纤维原位生成，与Cu基体之间界面相容性好、变形协调性好，采用该方法制备的Cu-Fe合金中纤维体积比通常可达10%-20%，这使得材料形变后不仅因为界面结合强度高可以获得超高的强度，而且具有良好的塑韧性和抗高温软化性能，同时比相同强度的其他Cu基材料有更优越的导电导热性能。1.2性能特点
Cu-Fe合金被誉为未来的超级铜材料主要有两方面的原因，一是Cu-Fe合金的发展可以满足现代工业对高强高导铜基材料的迫切需求，Cu-Fe合金经大应变量塑性变形后能同时获得优良的力学性能和物理性能匹配，并具备工业化应用前景方面；二是作为高性能铜基合金，铜铁合金的性能可以根据应用
需求通过合金成分和形变工艺调控，可获得强度600-1200MPa，导电性50I A CS%~70I A CS%，延伸率3%~20%，电磁屏蔽效应70~90dB(10kHz-10GHz)的优异综合性能。
1.2.1超高强度超级铜属于纤维增强型复合材料，其强化机制包括Cu基体的强化效应、Fe增强相的纤维强化效应以及加工变形过程中位错形成引起的加工硬化效应等综合影响。Fe含量越高，应变量越大，材料的抗拉强度越高。材料强度与应变量之间的关系可以采用位错强化和界面强化机制并运用ROM和Hal l-Petch关系进行叠加预测。在冷变形初期，当应变量较小时，由于纤维未完全形成,Cu-Fe合金的强度遵循ROM法则，上升比较平缓；随着冷变形应变量的增加，材料的纤维组织逐步形成，当应变量”>5时，材料的抗拉强度取决于Hall-Petch关系，上升幅度迅速，可达1000MPa以上⑶。
1.2.2高导电超级铜的电阻率主要取决于Cu基体中的杂质散射电阻和界面散射电阻+5］。Cu-Fe合金中的杂质散射电阻主要由固溶于Cu基体中的Fe原子引起，杂质散射效应是影响Cu-Fe 合金铸态电阻率的主要因素。形变过程中应变量的变化对杂质散射电阻的改变不大，电导率的变化主要取决于界面散射电阻。加工变形过程中的锻轧加工能够降低材料中的缺陷和成分偏析，同时发生形变诱导析出促进固溶原子的析出，有利于降低Cu基体中的杂质散射电阻；另一方面形变使得Cu晶粒形成定向排列的纤维结构,Cu纤维内部可视为电子流通通道，有利于电子在轴向上的传导，减少了晶界对电导率的影响，保证了材料的高导电性能。单片机编程器
1.2.3宽频电磁屏蔽超级铜的电磁屏蔽效应主要取决于材料的电导率、磁导率以及纤维复合结构。Cu-Fe合金中Cu是金属良导体适合高低频电磁场以及静电场的屏蔽,Fe是铁磁材料适用于低频磁场的屏蔽，且铜和铁为在合金中原位结合，因此Cu-Fe合金对电磁波的屏蔽是以反射和吸收损耗相结合，具有宽频电磁波的屏蔽效能。通过加工变形后，合金中的Fe相形成连续纳米级纤维结构，电磁波在纤维间发生多次反射和吸收损耗，同时基于纳米材料特殊的表面效应和体积效应，形成良好的电磁波屏蔽效果o
2超级铜研究现状
台历打孔机Cu-Fe合金的研究起源于20世纪70年代末Bevk对Cu-Nb合金的研究⑷，通过原位凝固/变形工艺形成的同类Cu基合金兼具优良的力学性能和导电性能的匹配，故也称为Cu基形变原位复合材料。现阶段Cu基形变原位复
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合材料的研究取得的研究成果主要集中在Cu-Nb和Cu-Ag合金。然而，这些合金或制备工艺复杂，或原材料价格昂贵，极大限制了工业规模制备及应用。相比之下,Cu-Fe合金的原材料成本较低，极具工业应用前景，同时具有更优良的综合物理性能3。随着高性能Cu基材料应用需求的不断增加，该研究领域越来越受到国内外研究者的关注与投入。
研究表明,Cu-Fe合金中Fe纤维是合适的强化相，但固溶Fe原子会严重损害Cu基体的电导率，为了获得更好的综合性能,Cu-Fe合金研究主要在以下两方面开展研究：1)初生Fe相的细化和均匀分布;2)Cu基体中固溶Fe原子的析出。Stepanoe m］对Cu-14Fe的研究表明，当应变量”=6.6时，抗拉强度可接近1000MPa。当应变量"从4增加至6时,Cu-20Fe合金的抗拉强度从500-600MPa迅速增加至1400MPa以上氏］。陆月娇等制备的Cu-16Fe合金的强度/电导率匹配为970MPa/40.8%IACS。周继宝「⑷等对Cu-12.8Fe的研究表明，不同的热处理工艺可以获得615MPa/59.5%IACS和1008 MPa/53.3%I A CS的强度电导率性能匹配。Cu -Fe合金轧制箔材在1~1.5GHz频率范围内对电磁波的屏蔽效果可达80d^16］。
近年来，为了获得更好的力学性能和导电性能的匹配,Cu-Fe合金开始向多元合金化方向发展。多元合金化法被认为能够通过提高凝固过程中Fe的形核和析出速度改善凝固组织和溶质分布，从而提高Cu-Fe合金的强度/电导率匹配。通过添加Ag、Ni、Zr、Co、Nb等元素，同时采用变形+热处理的综合形变工艺发展三元或多元Cu-Fe-X形变原位复合材料W。Song】"］等制备的Cu-10F-lAg合金，当应变量为4.8和6.3时，强度/电导率分别为1006MP i/39%I A CS和939MPa/56.2%IACS。Gao^］等制备的Cu-11Fe-6Ag合金，在冷变形应变量为9.2时，材料的强度/电导率达到1500MPa/53%I A CS，综合性能接近Cu-24Ag合金。刘克明a认为0.1wt.% Ag的加入即可使Cu-14Fe合金获得强度/电导率为1033MPa/56.6%IACS的匹配组合。Zhang］等发现0.5wt.%的Nb的添加可以使Cu-10Fe合金的延伸率达到36%。
双向推车
在制备工艺方面,Zou^］等通过交变磁场/Ag 微合金化复合法在细化初生Fe相的同时有效促进固溶Fe原子的析出，改善了Cu-Fe合金综合性能。Liu^f］采用定向凝固工艺可获得细小均匀的初生相分布，并采用强磁场热处理有效地促进固溶Fe原子的析出。杨艳玲①］等采用深冷处理能够有效地改善Cu-14Fe合金的综合性能。制备新工艺的开发为超级铜的研究与开发提供了新的研究方法和思路。
3稀土超级铜研究进展
稀土素有“工业维生素”的称誉，合金中加入稀土元素，能够显著净化熔体、细化组织，改善性能。Cu-Fe合金中稀土的加入可细化组织晶粒，提高合金的导电性以及强度、硬度和耐磨性，改善合金的耐蚀性。陆德平旳等发现B和Ce在Cu -Fe-P合金中微量加入可显著提高再结晶温度，同时提高强度和导电。师阿维［旳认为0.05 wt.%的Y可以同时提高Cu-Fe-P合金强度和电导率。Guo】"］等在Cu-Fe-P-C o中添加La 和Ce能够细化析出相，提高合金物理性能。Wu㈤〕等对Cu-6Fe中添加混合稀土RE的影响表明，稀土的加入显著细化了Fe枝晶和Cu晶粒，并有效改善了形变后材料的电导率。l O o］在Cu-10Fe-3Ag中添加0.3wt.%的稀土元素可以细化和弥散初生Fe枝晶，并能提高合金的弹性模量。研究表明稀土元素在材料中的应用，不仅可以改变材料的组织结构和加工性能，而且可以改变介电常数，调控介电损耗和磁损耗。由于稀土元素独特的电子层结构和钢系收缩效应，具有独特的磁光、磁电等效应，稀土在合金中的添加能够改变材料的电磁参数，提高材料对电磁波的屏蔽和吸收能力。
合金是世界稀土消费量最大的应用领域，我国在稀土合金应用方面与发达国家还有较大的差距。稀土在Cu-Fe合金中的应用研究表明材料的力学性能和物理性能与稀土的含量有密切的联系，稀土是提咼Cu-Fe合金综合性能的关键合金化元素。采用合适的稀土加入工艺，控制稀土收得率，保证材料性能稳定，寻力学性能和物理性能的平衡点，探索稀土在材料综合性能上的特殊影响，开发新型高性能稀土超级铜材料，有利于攻克制约我国高端铜合金产业发展的“卡脖子”关键材料。
4稀土超级铜应用领域
近年来，日本、美国等发达国家已率先将Cu
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-Fe合金作为超高强高导合金、超高弹性合金和宽频电磁屏蔽材料应用于电子、通信、国防、航空航天等领域，显现出优秀的材料特性，其产品应用类型涵盖板材、箔材、线材和粉末等。板、箔材可用于散热基板、电磁屏蔽罩、弹性元器件等；线材可用于高速铁路接触网、电磁屏蔽用线、高压电缆用线、通讯控制用线、焊接丝材等；粉末可用于粉末冶金、3D打印、吸波屏蔽涂料、医用喷剂方面等；在大功率电机、注塑模具、精密加工、电阻焊等方面也具有潜在的应用前景。
4.1电磁屏蔽
电磁屏蔽材料具有广泛的用途，无论在航空航天、国防，还是民用都有应用。由于国防领域电磁屏蔽通常涉及国家机密，相关应用细节几乎保密。目前日本已率先将新型铜铁合金应用到民用电磁屏蔽领域，如三菱、佳耐美在Cu-10Fe合金箔材，住友在Cu-5Fe、Cu-10Fe合金线材方面均已有应用。超级铜材料对磁场具有50~80dB 的屏蔽效果，对电场具有超过80dB的屏蔽效果，同时自身电导率达到50%I A CS以上，能满足电子元件屏蔽罩、同轴电缆屏蔽层、大型屏蔽室壁材、CT/MRI室、精密研究实验室等需求。随着我国航空航天、国防、精密制造领域的快速发展，电磁屏蔽性能优异的超级铜存在较大的市场需求空间，在电力电子、医疗、航空航天、国防、科研领域有广泛的应用前景。
4.2新基建
随着高铁与新能源等产业领域的迅速发展，发电机对铜转子提出了高致密、高强度等更严格要求，要求铜合金转子兼具高导电率、高屈服强度和抗拉强度。随着电子信息产品向轻薄化、高速化及智能化发展，集成电路向大功率、大规模方向发展，引线框架需要在强度和导电性不变的同时降低厚度，传统的中强高导Cu-Fe-P合金将无法满足超大规模集成电路引线框架的要求。超级铜材料作为一类具有优良物理性能和力学性能的功能材料，它不仅继承了铜优良的导电、导热性能，同时具有超高的强度和良好的塑性，在以集成电路引线框架、高速铁路接触网、大型发电机转子、电阻焊电极等为代表的电子、交通、能源等新基建领域有着广泛的应用前景。
4.3高端装备制造
我国高端装备制造行业起步较晚，但已成为全球最大的装备制造和消费市场。电磁线作为现代工业基础性产品，高品质微细电磁线主要用于微特电机、继电器、电子变压器、互感器、电磁阀等器件，导电线芯要求有较高的导电率和良好的力学性能以满足器件的制造工艺要求，广泛应用于电子、通讯、能源、汽车、航空航天等多个领域。目前我国消费电子、汽车等领域连接器尤其是高端连接器市场需求广阔，高端连接器要求铜合金兼具高强度、高韧性和优异的导电性能，而当前高性能电磁线用铜合金、连接器用铜合金几乎来自进口。超级铜材料具备超高强度、高弹性、高导电的属性，其产业化将一定程度上满足高性能连接器市场的大量需求。
5结束语
随着我国航空航天、国防、新基建、高端装备等高技术领域不断发展，铜材深加工及应用的结构升级，高端铜材料的市场容量和附加值也将进一步扩大。《有金属工业发展规划(2016—2020)》指出高性能铜材料是我国重点发展高新技术领域的关键基础材料。研究和开发超级铜材料符合国家当前优先发展高技术产业化政策和我国有金属加工行业的产业技术政策。稀土是我国的战略资源，将超级铜品种开发与稀土资源优势相结合开发稀土超级铜材料，既可以促进铜行业结构调整和转型升级，助推铜产业的高端化发展；又可以拉动稀土精深加工发展，尤其是高丰度稀土的综合利用，从而形成铜基新材料产业链与稀土产业链相互融合、良性互动的格局。开发和产业化具有自主知识产权的稀土超级铜材料对于满足国家重大工程和新型产业需求，促进形成资源节约型和环境友好型社会长远目标和
可持续发展战略具有重要意义。
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