CuW复合材料兼具了W的高强度、高硬度、强耐电弧侵蚀性以及Cu的高导电导热性，被广泛应用于电触头、电子封装等领域。随着高压开关领域的快速发展，对CuW复合材料的耐电弧侵蚀性能提出了更高的要求。熔渗法利用W和Cu的熔点差异，通过毛细管力作用，将熔融态Cu渗入W材料的间隙中，可以制得性能优异的CuW复合材料，是目前商业化生产CuW复合材料的主要方法之一。
为提高CuW复合材料的致密度及耐电弧侵蚀性能，河南科技大学宋克兴教授团队基于二元堆积理论设计并制备了双粒径W颗粒混杂高致密CuW75复合材料，通过微观组织表征、硬度测试、导电率测试及密度测试，重点对比研究了单粒径CuW75复合材料和双粒径混杂CuW75复合材料致密性和微观组织的内在关联，并通过电接触实验研究了双粒径混杂CuW75复合材料耐电弧的侵蚀性能。研究结果可为高致密CuW复合材料的设计与制备提供借鉴。
图4为W骨架熔渗后单粒径CuW75复合材料及双粒径混杂CuW75复合材料的SEM微观形貌。其中较亮的部分为W颗粒，分布在W颗粒周围较暗的部分为Cu液熔渗进W骨架而形成的Cu相网络。图4a是1 μm单粒径CuW75复合材料，其颗粒分布较为均匀，但W-W连接度过高，Cu液较难渗入样品，导致出现了富Cu区。图4b为20 μm单粒径CuW75复合材料。烧结过程中W颗粒分布不均匀，导致熔渗后20 μm W粉烧结的W骨架样品中明显出现了Cu富集的区域。在双粒径混杂CuW75复合材料中，大粒径W粉作为整个W骨架的主体，小粒径W粉作为填充体，填充在空隙之中，减少了Cu富集，使组织更加均匀。图4c为双粒径混杂CuW75复合材料，其中小粒径W颗粒填充在大粒径W颗粒的空隙中，减少了Cu富集现象，Cu呈网状包围在W的周围，使Cu相网络连通程度获得提升。
图5为24 V、20 A条件下，单粒径及双粒径混杂CuW75复合材料的平均燃弧能量和燃弧时间。从图5可以看出，双粒径混杂复合材料的平均燃弧能量（147.29 mJ）和燃弧时间（2.53 ms）较1 μm单粒径CuW75复合材料的分别下降了38%和36%。W具有较高的耐电压强度，但单粒径CuW75复合材料的致密度较低，材料表面存在空隙，会降低材料的耐电压强度，小颗粒W粉可以填充大颗粒之间的空隙，使双粒径混杂CuW75复合材料的微观结构更加均匀致密，提高了材料的耐电压强度，减少了燃弧能量，缩短了燃弧时间。材料的平均燃弧能量越低、平均燃弧时间越短，表明电弧对材料的侵蚀越小，材料的使用寿命越高。说明双粒径混杂CuW75复合材料较单粒径CuW75复合材料的耐电弧侵蚀性更强。
图9为CuW复合材料的局部电弧侵蚀形貌。如图9a和图9d所示，颜色较暗的区域为Cu相，材料的阳极因电弧产生高温而形成了熔池，阴极形成了锥形的凸起，这是由于局部温度过高，导致Cu液流动，从而形成了一些锥形的富W相。如图9b所示，由于Cu液的流动，也出现了熔池。在图9e中，由于电弧产生高温，材料阴极表面形成了喷溅的液滴。从图9c和图9f可以看出，双粒径混杂CuW75复合材料的电弧侵蚀形貌基本没有出现大面积熔池，侵蚀坑较浅，没有明显的富W相出现，这是由于小粒径W粉的加入可以提升Cu相和W相的连通程度，从而分散电弧所产生的高温，减少Cu液的流动，从而提高材料的耐电弧侵蚀性能。
1）采用快速热压烧结和熔渗工艺相结合的方法制备了双粒径混杂CuW75复合材料，其微观结构连通性较好，W、Cu两相分布均匀；材料致密度高达99.79%，较CuW75复合材料国家标准提高了2.9%；硬度较CuW75复合材料国家标准提高了6.7%。
2）双粒径混杂CuW75复合材料电接触实验表明，双粒径混杂CuW75复合材料的平均燃弧能量和平均燃弧时间较1 μm单粒径CuW75复合材料的分别下降了35.3%、38.1%；双粒径混杂CuW75复合材料的熔焊力波动幅度小、平均熔焊力较1 μm单粒径CuW复合材料的下降了11%，抗熔焊性能优异。
3）双粒径混杂CuW75复合材料可以更好地分散电弧，降低材料表面的局部高温，加速熔桥的断裂，使电弧快速熄灭，有效降低了材料的燃弧时间和燃弧能量，使电弧侵蚀面积变小、侵蚀坑变浅，提高了材料的耐电弧侵蚀性能。
该文章发表在《表面技术》第53卷第14期。
引文格式：张懿铭, 宋克兴, 国秀花, 等. 基于二元堆积理论高致密 CuW 复合材料制备及耐电弧侵蚀性能研究[J]. 表面技术, 2024, 53(14): 181-189.
ZHANG Yiming, SONG Kexing, GUO Xiuhua, et al. Preparation and Arc Erosion Resistance of High Density CuW Composites Based on Binary Packing Theory[J]. Surface Technology, 2024, 53(14): 181-189.
DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.14.017【扫码关注我们】
审核|汪 潇
编辑|邓李旸
