第7期 胡志勇等：玻璃包覆纯铜微丝的力学性能 ·749 不同；因此，尽管沿横截面仅有一个晶粒，但沿长度片，由图可见，玻璃包覆层断口平整；虽然可以观察 方向的晶粒尺寸（晶粒间距a)不同， 到玻璃断裂后芯丝继续产生一定的变形再断裂的现 芯丝冷却速率V:与微丝尺寸（芯丝直径d、包 象，但整个微丝的断裂模式仍基本上为脆性断裂. 覆层厚度)以及微丝制备过程中冷却介质的热物 参数有关，可表示为： V:=a(T2-Tk)(d+t)/ [emd2Cm+gCg(dii)] (1) 式中，Pm和Cm为金属的密度和比热容，g和Cg为 玻璃的密度和比热容，Tk为冷却液的温度，α为冷 却液与玻璃的换热系数，T2为金属液进入冷却液时 的温度.其中α采用横掠单管时的对流换热特征数 关联式，在冷却水流速0.25ms1时，分别计算了 芯丝直径10m、包覆层厚度5m和芯丝直径 30m、包覆层厚度8m的对流换系数 图6玻璃包覆纯铜微丝断口扫描电镜照片 假设T2为1200℃，代入纯铜与玻璃的热物理 Fig.6 SEM image of a glass coated pure copper micro"wire 性能参数，由式(1)计算可得直径10m芯丝和直径 图7所示为纯铜芯丝断口的扫描电镜照片.由 30m芯丝的冷却速率分别为4.66×105Ks-1和 图7可见，断口呈扁尖状或楔形，一般多晶铜线材 6.8×10Ks1,即芯丝的冷却速率随其直径的减 的拉伸断口出现韧窝，为微孔聚集型断裂.而本 小而显著增大，根据文献[13]晶粒直径与冷却速率 文纯铜芯丝在断口处没有发现韧窝，试样内也不产 的关系： 生孔洞，如图7(a)所示，且试样表面出现连续均匀 de=avb (2) 滑移台阶，如图7(b)所示，表明本文纯铜芯丝拉伸 式中，d。为晶粒直径，a约为1.75×107m·(K· 断裂模式为典型的滑移延伸断裂，这是由于纯铜芯 s1)5,b为0.9. 丝微观组织具有沿径向定向凝固的特点，整个横截 由式(2)可推算出直径为10m和30m芯丝 面仅有一个晶粒，因而拉伸变形时位错主要通过滑 的晶粒直径比值约为0.18.因此，纯铜芯丝直径越 移从试样表面放出，纯铜芯丝在经过了连续的滑移 小，晶粒间距越小，从而抗拉强度随芯丝直径减小而 后而最终发生断裂，从而在侧表面形成一系列滑移 增大 台阶. 2.4断裂机制 图6所示为玻璃包覆纯铜微丝断口扫描电镜照 b 20μm 20m 图7纯铜芯丝断口形貌 Fig.7 Fracture morphologies of a pure copper fiber 3结论 30m,玻璃包覆层厚度2~8m,用体积分数为 40%的氢氟酸经80~140s腐蚀，可完全去处玻璃包 ()采用熔融纺丝法制备了玻璃包覆纯铜微 覆层，得到纯铜芯丝 丝，玻璃包覆纯铜微丝主要尺寸范围为铜丝直径4~ (2)外径45m、包覆层厚度7.5m和外径不同；因此‚尽管沿横截面仅有一个晶粒‚但沿长度 方向的晶粒尺寸（晶粒间距 a）不同． 芯丝冷却速率 V t 与微丝尺寸（芯丝直径 d、包 覆层厚度 t）以及微丝制备过程中冷却介质的热物 参数有关‚可表示为［9］： V t＝α（ T2－ Tk）（ d＋t）／ ［ρm d 2Cm＋ρg Cg（ dt＋t 2）］ （1） 式中‚ρm 和 Cm 为金属的密度和比热容‚ρg 和 Cg 为 玻璃的密度和比热容‚Tk 为冷却液的温度‚α为冷 却液与玻璃的换热系数‚T2 为金属液进入冷却液时 的温度．其中 α采用横掠单管时的对流换热特征数 关联式．在冷却水流速0∙25m·s －1时‚分别计算了 芯丝直径 10μm、包覆层厚度 5μm 和芯丝直径 30μm、包覆层厚度8μm 的对流换系数． 假设 T2 为1200℃‚代入纯铜与玻璃的热物理 性能参数‚由式（1）计算可得直径10μm 芯丝和直径 30μm 芯丝的冷却速率分别为4∙66×106 K·s －1和 6∙8×105 K·s －1‚即芯丝的冷却速率随其直径的减 小而显著增大．根据文献［13］晶粒直径与冷却速率 的关系： dc＝ aV －b t （2） 式中‚dc 为晶粒直径‚a 约为1∙75×107μm·（K· s －1） b‚b 为0∙9． 由式（2）可推算出直径为10μm 和30μm 芯丝 的晶粒直径比值约为0∙18．因此‚纯铜芯丝直径越 小‚晶粒间距越小‚从而抗拉强度随芯丝直径减小而 增大． 2∙4 断裂机制 图6所示为玻璃包覆纯铜微丝断口扫描电镜照 片．由图可见‚玻璃包覆层断口平整；虽然可以观察 到玻璃断裂后芯丝继续产生一定的变形再断裂的现 象‚但整个微丝的断裂模式仍基本上为脆性断裂． 图6 玻璃包覆纯铜微丝断口扫描电镜照片 Fig．6 SEM image of a glass-coated pure copper micro-wire 图7所示为纯铜芯丝断口的扫描电镜照片．由 图7可见‚断口呈扁尖状或楔形．一般多晶铜线材 的拉伸断口出现韧窝‚为微孔聚集型断裂［14］．而本 文纯铜芯丝在断口处没有发现韧窝‚试样内也不产 生孔洞‚如图7（a）所示‚且试样表面出现连续均匀 滑移台阶‚如图7（b）所示‚表明本文纯铜芯丝拉伸 断裂模式为典型的滑移延伸断裂．这是由于纯铜芯 丝微观组织具有沿径向定向凝固的特点‚整个横截 面仅有一个晶粒‚因而拉伸变形时位错主要通过滑 移从试样表面放出．纯铜芯丝在经过了连续的滑移 后而最终发生断裂‚从而在侧表面形成一系列滑移 台阶． 图7 纯铜芯丝断口形貌 Fig．7 Fracture morphologies of a pure copper fiber 3 结论 （1） 采用熔融纺丝法制备了玻璃包覆纯铜微 丝‚玻璃包覆纯铜微丝主要尺寸范围为铜丝直径4～ 30μm‚玻璃包覆层厚度2～8μm．用体积分数为 40％的氢氟酸经80～140s 腐蚀‚可完全去处玻璃包 覆层‚得到纯铜芯丝． （2） 外径45μm、包覆层厚度7∙5μm 和外径 第7期 胡志勇等： 玻璃包覆纯铜微丝的力学性能 ·749·