本发明属于复合材料领域。
背景技术：
铜由于具有许多优异的性能，尤其是具有优良的导电性、导热性、耐蚀性和易加工成形性使之成为除了钢铁和铝之外使用最广泛的金属材料之一。但由于纯cu无法满足发射过程中高温、高载荷以及高速摩擦磨损等复杂机械和化学作用环境，所以目前多采用铜合金和铜基复合材料。
目前，cu-al2o3复合材料和cu-石墨(gr)复合材料是研究相对成熟、应用比较广泛的两类铜基复合材料。cu-al2o3复合材料是通过在铜基体中添加纳米尺度的高熔点、高硬度，且具有高温稳定性的al2o3陶瓷颗粒，从而显著提高基体的室温及高温力学性能。因此，在铁路机车导线、引线框架铜带、点焊电极、电触头等领域具有广泛的应用。cu-gr复合材料是在铜基体中添加具有自润滑性、高熔点、抗熔焊性能和耐电弧侵蚀性能的石墨颗粒，使之在保持铜基体良好传导性能的同时还具有优良的润滑、抗熔焊和耐电弧侵蚀能力。因此，在摩擦材料、电接触材料、导电材料等领域具有广泛的应用前景。
但是，由于颗粒相特性的限制，通过颗粒强化铜基复合材料在提高材料某些方面性能的同时，往往会导致导电性能降低。通过添加稀土元素可以对复合材料的组织净化，并且减少组织中的杂质，提高铜基复合材料的导电性。
因此，为了充分发挥不同组元的协同作用，获得综合性能更佳的新型材料，需要对多相组元混杂铜基复合材料展开研究。
由于添加相与铜基体具有不同的物理及化学性质，因此，通过传统的熔铸技术很难实现添加相在基体中的弥散分布以及与基体良好的界面结合。机械合金化通过长时间的高能球磨能够使各相间达到原子级结合，被认为是一种切实可行的颗粒强化铜基复合材料的制备工艺。
但制备多相组元混杂铜基复合材料面临颗粒相的团聚、颗粒相与基体相润湿性差的技术难题。目前这类材料的制备手段主要还是采用传统粉末冶金工艺，颗粒相团聚比较严重，颗粒尺寸较大，直接影响了人们对多组元间协同机制的认识，制约了铜基复合材料在工程上的应用。
因此，机械合金化制备复合材料的烧结成型工艺也是目前研究的热点。常用的烧结工艺主要有冷压烧结、热压烧结、等静压烧结、微波烧结和放电等离子烧结。其中，放电等离子烧结作为一种新的烧结技术，具有低温、快速烧结的特点，是制备新型金属基复合材料的有效手段。一些研究发现，放电等离子烧结比冷压烧结和热压烧结制备的铜基复合材料具有更高的密度、硬度、导电率、强度和减摩耐磨性能。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题：应用放电等离子烧结工艺制备cu-al2o3-cr-gr-la五元铜基复合材料，在提高材料的强度的同时，有效提升导电性，同时具备优良的减摩耐磨性能。
放电等离子烧结原理及cu-al2o3-cr-gr-la五元铜基复合材料制备工艺。
1、放电等离子烧结原理
放电等离子烧结(sparkplasmasintering，sps)是近年来发展起来的一种新型的快速烧结技术。该技术是在粉末颗粒间直接通入脉冲电流进行加热烧结，因此有时也被称为等离子活化烧结(plasmaactivatedsinteriny，pas)或等离子体辅助烧结(plasmaassistersinteriny，pas)。
sps技术的关键在于利用粉末颗粒间隙所产生的微放电现象。第一，烧结前期由于粉末颗粒之间存在较多的空隙，在相邻颗粒之间将发生脉冲放电现象，由于脉冲放电产生的放电冲击波以及电子、离子在电场中反方向的高速流动，可使粉末吸附的气体逸散，粉末表面的氧化膜在一定程度上被击穿，使粉末得以净化、活化；第二，由于脉冲是瞬间、断续、高频率发生，在粉末颗粒未接触部位电弧放电所产生的放电热，以及粉末颗粒接触部位产生的焦耳热，都大大促进了粉末颗粒原子的扩散，其扩散系数比通常热压条件下要大得多，从而达到粉末烧结的快速化；第三，通-断快速脉冲的加入，使粉末内的放电部位及焦耳发热部件都会快速移动，使粉末的烧结能够均匀化。因此，sps过程可以看作是颗粒放电、导电加热和加压综合作用的结果。
与传统烧结相比，sps制备铜基复合材料具有以下优点：
(1)烧结温度低，与冷压烧结和热压烧结相比，烧结温度可降低50℃以上，甚至有文献报道可使烧结温度降低200-300℃；
(2)不需要对粉末进行预成型即可直接烧结成致密体，而且烧结压力一般情况小于100mpa；
(3)烧结过程迅速，烧结效率高，这主要体现在两个方面，一为升温速率快(80-100℃/min)，二为保温时间短(2-10min)，而冷压烧结和热压烧结的升温速率一般为5-20℃/min，保温时间需要30-120min，甚至更长。
2、一种五元铜基复合材料的制备工艺，其特征在于：
原料粉末成分及质量百分比如下：
按以上质量百分比制成混合粉，加入过程控制剂，进行球磨，过程控制剂十八烷酸含量为粉末质量1％，
放电等离子烧结工艺为：
烧结模具材质为石墨，烧结初始压力5mpa，烧结保压压力为40mpa，真空度小于10pa，升温速率100℃/min，在800℃下烧结6min制备成复合材料，烧结完成后随炉冷却。
进一步，球料质量之比20:1，球磨转速500r/min，球磨时间10h。
通过放电等离子烧结制备的cu-al2o3-cr-gr-la五元铜基复合材料具有良好的导电性和力学性能，能够克服纯铜材料强度差和普通铜基复合材料导电性低的缺点。
附图说明
图1放电等离子烧结系统结构图
图2烧结材料sem微观形貌
(a)al2o3/cu；(b)cu-al2o3-cr-gr-la五元铜基复合材料
图3各试样断口形貌(a)纯cu(b)1wt％al2o3/cu(c)cu-al2o3-cr-gr-la五元铜基复合材料
具体实施方式
cu-al2o3-cr-gr-la五元铜基复合材料的基础组份主要有：
(1)cu粉，范围粒径15-25μm
(2)al粉，范围粒径约15-25μm
(3)cuo粉，粒径小于1μm
(4)天然鳞片状石墨粉(gr)，范围粒径10-20μm
(5)cr粉，范围粒径8-12μm
(6)la粉，范围粒径3-7μm
各粉末的质量配比如表1所示。
表1粉末主要成分及质量百分比
由于在高能球磨过程中由于局部温度过高，球磨粉末容易与磨球、罐壁焊合，从而影响磨球及球磨罐的重复使用，所以在金属混合粉末中加入过程控制剂。过程控制剂的为：十八烷酸，结构简式为：ch3(ch2)16cooh。
按以上质量百分比制成混合粉，加入过程控制剂，使用行星球磨机进行球磨。球磨工艺为：行星球磨机，过程控制剂十八烷酸含量为粉末质量1％，球料比(质量之比)20:1，球磨转速500r/min，球磨时间10h。
放电等离子烧结工艺为：
烧结模具材质为石墨，烧结初始压力5mpa，烧结保压压力为40mpa，真空度小于10pa，升温速率100℃/min，在800℃下烧结6min制备成复合材料，烧结完成后随炉循化水冷却，大量实验发现按此参数制备的材料综合性能最佳。
1、cu-al2o3-cr-gr-la五元铜基复合材料的显微组织
图2为烧结材料的sem微观形貌，其中，白色点状物为纳米al2o3颗粒，灰黑色为基体cu或cu-cr-gr-la合金，深黑色为孔隙。由图可知，2种材料中孔隙都比较少，表明sps法是烧结机械合金化复合粉末的有效手段。al2o3/cu复合材料中，纳米al2o3颗粒分散比较均匀，但是存在轻微团聚；cu-al2o3-cr-gr-la五元铜基复合材料团聚现象减轻。该结果表明添加适量的稀土la及其他合金元素有利于避免纳米al2o3颗粒团聚的发生，从而促进纳米颗粒弥散强化作用的发挥。
2、复合材料的物理及力学性能
相同工艺制备的复合材料的物理及力学性能见表2。从中可以看出，al2o3的加入可以大大提高纯cu的硬度、抗拉强度，但导电性只有纯cu的55.6％；而cu-al2o3-cr-gr-la五元铜基复合材料在提高硬度和抗拉强度的基础上，导电性可达纯cu的76.9％。
表2铜基复合材料的物理及力学性能
3、复合材料拉伸断口形貌分析
对纯cu、al2o3/cu和cu-al2o3-cr-gr-la五元铜基复合材料三种材料的拉伸断口作对比分析。3种拉伸断口的sem形貌见图3。
图3(a)是纯cu试样的拉伸断口sem形貌，其特征是典型的等轴韧窝，说明材料的晶粒细小，韧窝比较干净，稍有cu的碎屑或夹杂，而“窝”的四周撕裂棱较细、较多，表明材料的塑性较好。
图3(b)是al2o3/cu复合材料的拉伸断口sem形貌，断口特征是以等轴韧窝为主并有少量开口方向不一致的变形开口韧窝，断口的这一特征反映了试样在拉伸试验时，试样两个夹头的对中性不太好，致使拉伸中除正应力以外还有扭转应力，但该试样的抗拉强度达395mpa。该试样韧窝中的碎屑较纯cu断口多，韧窝周围的撕裂变形棱较纯cu的少而粗，表明了该材料的塑性比纯cu低。
图3(c)是cu-al2o3-cr-gr-la五元铜基复合材料的拉伸断口sem形貌，其特征是等轴韧窝及多而宽的撕裂变形棱。与图3(b)相比，等轴韧窝较小，且撕裂棱更多、更细。这一特征说明cu-al2o3-cr-gr-la五元铜基复合材料的强度指标与al2o3/cu复合材料相当，但韧性前者比后者好。
cu-al2o3-cr-gr-la五元铜基复合材料的关键点是多元复合材料的组份设计和工艺实现方式，重点是cu粉、al粉、cuo粉、石墨粉(gr)、cr粉、la粉等各种粉末的配比，特别是球磨工艺和烧结工艺的参数大小，决定了烧结后材料的综合性能。其中稀土元素cr粉和la粉可以起到净化晶界，提高导电性的作用。石墨粉起到减少摩擦系数，提高导电性的作用。