颗粒增强铜基复合材料专利分析

杨文昭 陈帅

摘 要：本文对颗粒增强铜基复合材料领域的专利申请进行充分检索和统计，全面分析该领域国内外专利申请情况，对该技术领域中制备方法相关专利技术演进和发展脉络进行梳理和统计分析，最后对该技术未来发展提出了预测。

关键词：铜合金;颗粒;复合材料;专利

中图分类号：TB333     文献标识码：A       文章编号：1003-5168（2021）30-0106-03

Abstract： In this paper， the patent applications in the field of particle-reinforced copper-based composite materials are well searched and counted. The status of patent applications for particle-reinforced copper-based composite materials at home and abroad is comprehensively analyzed. Besides， the evolution and development of related patent technologies in this technical field are sorted out and statistically analyzed. Finally， the future development of this technology is predicted in this paper.

Keywords： copper alloy; particle; composite material; patent

本文基于以對颗粒增强铜基复合材料专利技术的了解，根据各个专利数据库的收录文献数量和文献分布等特点，分别选择中文专利数据库CNABS和外文专利数据库VEN，采用IPC分类号和关键词相结合的方式对该领域的专利申请进行全面检索统计，并对国内外颗粒增强铜基复合材料的专利申请进行分析。

1 颗粒增强铜基复合材料概况

铜合金具有优异的导电性能、导热性能和延展性能，以铜基合金为基体，在其中加入颗粒、纤维、晶须、碳材料等作为增强体，获得铜基复合材料，使得铜合金在保留原有性能的基础上进一步提高强度、耐磨性、热稳定性等性能。颗粒增强铜基复合材料是其中最常见的种类，国内外已经有许多相关研究，并且已经取得很多成果。

2 颗粒增强铜基复合材料的制备方法

目前，铜基复合材料的制备方法主要有固态法和液态法，固态法包括粉末冶金法、机械合金化法、内氧化法和化学镀法等，这几种制备方法都涉及粉末的制备和烧结，主要不同在于其粉末制备方法。液态法有铸造法、喷射沉积法等，而原位自生成法既可以在固态、也可以在液态下进行。液态法的主要缺点是增强体与基体反应严重，颗粒容易团聚长大以及液态金属含气量大。相比之下固态法没有上述缺点，但成本相对较高[1]。

3 专利技术发展脉络

以颗粒增强铜基复合材料的制备方法为研究对象，对其技术演进和发展脉络进行分析。图1显示出不同制备方法的技术演进路线，下面对各个制备方法的技术脉络进行分析。

对于粉末冶金法，ISHIZUKA GLASS公司首先在1974年（US19740464931A）将金属包覆玻璃陶瓷颗粒以粉末冶金法加入铜合金中，提高了材料的耐磨性能。随后在20世纪80年代开始，日本陆续申请了一系列粉末冶金法制备的颗粒增强铜基复合材料，MITSUI ALUM KOGYO三井株式会社添加硼和硼化物，提高了材料的硬度和电导率（JP2021683A），SUMITOMO ELECTRIC IND CO住友电气工业株式会社添加碳化硅提高了材料的热导率（JP36929998A），TAIHO KOGYO CO LTD添加硫化物颗粒提高了材料的润滑性（JP2004220238A）。进入21世纪后，我国出现了大量粉末冶金法制备颗粒增强铜基复合材料的专利申请，北京科技大学添加了金刚石，获得了具有高热导率和低热膨胀系数的材料（CN201210091758），吉林大学添加立方氮化硼，获得的材料具有高耐磨性、低电阻率、高抵抗、高温塑性变形的性能（CN201410809639）。

对于熔炼铸造法，日本HITACHI LTD日立株式会社在1970年最早采用该方法添加了MoS2、WS2、PbO、石墨、Mn5Si3，提高了材料的润滑性能（JP1186570A）。美国COPPER RANGE公司添加了TiC，提高了材料的蠕变性能和导电性（US19720225003）。进入20世纪80年代后，日本MIYOSHI GOKIN KOGYO、ISHIKAWAJIMA HARIMA HEAVY IND、HITACHI LTD分别制备出了添加ZrO2、碳化硅、氧化亚铜，获得了具有抗高温软化、高摩擦系数、高导热、高导电、低热膨胀系数的颗粒增强铜基复合材料（JP856284A、JP30216395A、JP2000009969A）。进入21世纪，我国才陆续出现了一批熔炼铸造法制备颗粒增强铜基复合材料的专利申请，南昌大学添加Y2O3，提高了抗拉强度、导电率、软化温度（CN201210358786），昆明理工大学添加氮化铝，提高了电导率、热导率（CN201410309510）。

对于机械合金化法，该方法是近年来才逐渐兴起的一种制备方法，相关的专利申请主要在2000年以后，申请量也较少。哈尔滨工业大学于2008年制备出添加了Al2O3、ThO2、ZrO2、Y2O3、BeO、PbO、Be2C、HfN、ZrN一系列增强体的复合材料，提高了导电导热性、高温强度和硬度（CN200810066186）。日本MITSUI MINING & SMELTING CO LTD公司添加了碳化硅，制备出的材料具备高热导率同时具有高电绝缘性（JP2011225137A）。西安交通大学添加了导电陶瓷La2NiO4、BaPbO3或Li1.4Al0.4（Ge1-xTix）1.6（PO4）3，获得了具有良好高温导热性能、导电率和高熔点的材料。

对于原位自生成法，1973年，美国SCM公司采用原位自生成法制备了Al2O3增强铜基复合材料，获得了优异的抗拉、硬度、延伸率、电导率（US19730373998A）。同年，美国GENERAL MOTORS通用汽车公司添加TiC，提高了材料的耐磨性（US19730356611A）。日本于20世纪八九十年代进行了大量研发，MITSUI MINING & SMELTING CO LTD公司添氧化铝，制备出的材料具有良好的硬度和电导率（JP2162483A）。YAZAKI公司添加了氧化铝，提高了材料的导电性、强度和塑性（JP24512494A）。我国最早的原位自生成法制备颗粒增强铜基复合材料出现在1999年，昆明理工大学添加二硼化钛，使材料具备高强度和高导电性（CN99104496）。西北有色金属研究院添加Al2O3，提高了材料的热稳定性和热强性、电导率、软化温度（CN201010575412）。

對于内氧化法，近年来才逐渐兴起，申请量较少。洛阳理工学院利用内氧化法制备了Al2O3增强铜基复合材料，获得了高导电、高强度、高抗软化、高显微硬度的材料（CN200710189601）。西北工业大学制备出了以纳米与亚微米氧化铝为增强相的复合材料，具有高温抗拉强度、高屈服强度、高温软化温度、高热导率（CN200810017-990）。南昌大学制备出了Y2O3增强铜基复合材料，具有良好的抗拉强度、电导率和抗高温软化性能（CN201210147029）。

对于喷射沉积法，其对设备需求较高，大部分为国外申请，国内只在最近几年才出现。1983年日本丰田株式会社，首先采用喷射沉积，快速冷却的方式制备了金属粒子增强铜基复合材料（JP12743983A）。1990年，美国ASHOK SANKARANARAYANAN公司制备出了石墨增强铜基复合材料（US57688990A），OLIN CORP奥林公司和WIELAND WERKE AG公司共同制备出氧化钛、氮化钛、碳化硅等陶瓷颗粒增强的铜基复合材料，提高了材料的强度（US19900576889A）。国内关于喷射沉积的申请最早出现在2007年，由昆明理工大学和昆明贵金属研究所共同申请，增强体采用Al2O3、La2O3、Y2O3，具有高的导电导热性、热稳定性和热强性（CN200710066391）。西北有色金属研究院2010年制备出了Al2O3为增强体的复合材料，具有良好的热稳定性、热强性和电导率（CN201010575412）。

对于其他制备方法，是近年来伴随其他科技发展而产生的新工艺，这些制备方法相关的申请主要是国内申请。2007年由中南大学和深圳市新宏泰粉末冶金有限公司以化学镀方法共同制备出的铜基复合材料，添加Al2O3、SiC时具有高的耐磨性，添加MoS2、WS2时具有良好的润滑性能（CN200710035883）。浙江工业大学以电子束物理气相沉积法制备出Mo、Nb、Al2O3或Y2O3增强铜基复合材料，具有良好的屈服强度、抗拉强度、电导率和延伸率（CN201510385481）。

4 技术趋势预测

从以上分析来看，关于颗粒增强铜基复合材料目前虽然已有大量研究，也取得了很多成果，但是仍然存在诸多问题，其中制备方法方面，如何以更简单的工艺和参数，实现颗粒增强铜基复合材料的稳定生产和产业化，拓展颗粒增强铜基复合材料的产业应用场景将是未来研究的一个重要方向[2，3]。

参考文献：

[1] 李韶林.弥散强化铜基复合材料的制备及抗电蚀性能研究[D].洛阳：河南科技大学，2013.

[2] 贺毅强.颗粒增强金属基复合材料的研究进展[J].热加工工艺，2012（2）：133-136.

[3] 王学亮，王亚平.Cu-Al2O3复合材料的制备技术及研究现状[J].电工材料，2014（1）：27-32.