权利要求
1.一种
铜铝复合材料，包括
铜板带(1)和铝板带(2)，其特征在于，所述铜板带(1)的一侧与铝板带(2)的一侧通过榫接结构连接后复合成带材;
所述榫接结构包括设置于铜板带(1)一侧的上榫头(101)和下榫头(104)，所述上榫头(101)与下榫头(104)对称设置，所述铝板带(2)的一侧设置有两个铝榫槽(201)，两个所述铝榫槽(201)分别与所述上榫头(101)和下榫头(104)适配，两个所述铝榫槽(201)之间的铝板带(2)一侧形成中榫头(204)，所述中榫头(204)的前端设置有燕尾头(203)，上榫头(101)与下榫头(104)之间的所述铜板带(1)一侧设置有锥形块(103)，所述锥形块(103)与所述中榫头(204)对应;
所述上榫头(101)与下榫头(104)的头部均设置有引导部(102)，所述上榫头(101)的引导部(102)向上倾斜，所述下榫头(104)的引导部(102)向下倾斜，两个所述铝榫槽(201)的里端均设置有卡槽(202)，两个所述卡槽(202)分别与两个所述引导部(102)对应;
所述上榫头(101)的下表面从根部到头部向下倾斜，所述下榫头(104)的上表面从根部到头部向上倾斜，所述中榫头(204)的头部到根部逐渐缩窄。
2.根据权利要求1所述的一种铜铝复合材料，其特征在于，所述上榫头(101)与下榫头(104)的根部比头部厚，所述上榫头(101)的上表面从根部到头部向下倾斜，所述下榫头(104)的下表面从根部到头部向上倾斜。
3.根据权利要求1所述的一种铜铝复合材料，其特征在于，所述燕尾头(203)包括上锥头和下锥头，所述上锥头向上倾斜，所述下锥头向下倾斜，所述上锥头与下锥头的前端均采用弧形设置，所述上锥头和下锥头的根部均与中榫头(204)连接，所述上锥头与下锥头的头部均为自由端。
4.根据权利要求1所述的一种铜铝复合材料，其特征在于，所述引导部(102)的内表面设置有引导斜面。
5.根据权利要求1所述的一种铜铝复合材料，其特征在于，所述铜板带(1)的边缘采用台阶式。
6.根据权利要求1所述的一种铜铝复合材料，其特征在于，所述上榫头(101)与下榫头(104)内表面设有若干微齿，所述微齿呈倾斜排列，倾斜方向与所述中榫头(204)嵌入方向一致。
7.根据权利要求6所述的一种铜铝复合材料，其特征在于，所述中榫头(204)的外表面设置有若干齿槽，所述齿槽与微齿适配，所述燕尾头(203)内嵌设有纳米陶瓷颗粒增强相。
8.一种生产如权利要求1-7任一项所述铜铝复合材料的方法，其特征在于，包括：
S1、通过精密轧制和激光雕刻工艺，分别制备具有所述榫接结构轮廓的铜板带(1)和铝板带(2)，其中铜板带(1)的榫头部位进行表面纳米化处理，铝板带(2)的铝榫槽(201)部位进行微弧氧化处理;
S2、动态渐进式复合：
S2.1、将铜板带(1)和铝板带(2)分别预热至150-250℃;
S2.2、在保护气氛下，通过多组滚轮对铜板带(1)和铝板带(2)施加相向的侧向推力，使中榫头(204)的燕尾头(203)在所述引导部(102)作用下向内收敛，推力从初始的50MPa逐步增加至最终200MPa，使所述引导部(102)与铝榫槽(201)产生弹性接触;
S2.3、继续增加侧向推力至250-300MPa，使所述引导部(102)压迫铝榫槽(201)侧壁产生向外塑性变形，同时中榫头(204)的燕尾头(203)在锥形块(103)作用下向外扩张;
S3、多维压实强化：
S3.1、保持侧向推力200MPa，持续时间30-60秒;
S3.2、同步施加垂直方向的振荡压力，频率20-50Hz，振幅0.1-0.5mm，使微齿与齿槽充分啮合;
S4、梯度扩散热处理：
S4.1、在380-420℃下保温10-20分钟，使界面原子初步扩散;
S4.2、以5℃/min升温至480-520℃，保温15-30分钟，促进纳米陶瓷颗粒与基体的界面结合;
S4.3、以3℃/min升温至550-580℃，保温5-10分钟，完成原子充分扩散;
S5、界面强化后处理：
S5.1、在150-200℃下进行超声振动时效处理，频率25-35kHz，时间30-45分钟;
S5.2、通过精密轧制获得最终尺寸，并进行微弧氧化表面处理。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及复合材料技术，具体涉及一种铜铝复合材料及其生产方法。
背景技术
[0002]在电力传输和新能源电池组领域，为了实现高效导电与轻量化的双重目标，常需要将导电性能优异的铜材与轻质低成本的铝材进行复合连接，形成铜铝复合导电部件。传统的铜铝连接主要采用焊接(如摩擦焊、爆炸焊)或简单的层压复合工艺。然而，焊接法形成的结合界面通常较为有限，且容易在界面生成脆性的金属间化合物(如CuAl2)，导致结合强度不足、韧性差，在长期震动、冷热循环工况下极易发生疲劳开裂或界面剥离。而层压复合等物理结合方式，其结合界面面积小，主要依靠分子间作用力或少量扩散，结合强度低，抗剪切能力弱，在承受大电流产生的电动力或机械震动时，易发生相对滑移或松动，进而导致接触电阻增大、局部过热，严重时引发连接失效和安全事故。
[0003]此外，已有的侧向榫卯复合技术，虽在一定程度上增大了结合面积，但其榫头结构通常为单一或对称设计，在应对复杂多向应力(尤其是因铜、铝热膨胀系数差异引起的周期性剪切应力)时表现不足，无法有效抑制微观裂纹的萌生与扩展，长期可靠性仍有提升空间。
[0004]因此，如何提供一种界面结合强度高、抗震动及抗热疲劳性能优异、长期使用下接触电阻稳定的铜铝复合材料，成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
[0005]本发明的目的是提供一种铜铝复合材料及其生产方法，以解决现有技术中的铜铝复合材料因界面结合强度不足、抗多向应力能力弱而导致的在震动及热循环工况下易松动、开裂、可靠性差的问题。
[0006]为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0007]第一方面，本发明提供一种铜铝复合材料，包括铜板带和铝板带，所述铜板带的一侧与铝板带的一侧通过榫接结构连接后复合成带材;
[0008]所述榫接结构包括设置于铜板带一侧的上榫头和下榫头，所述上榫头与下榫头对称设置，所述铝板带的一侧设置有两个铝榫槽，两个所述铝榫槽分别与所述上榫头和下榫头适配，两个所述铝榫槽之间的铝板带一侧形成中榫头，所述中榫头的前端设置有燕尾头，上榫头与下榫头之间的所述铜板带一侧设置有锥形块，所述锥形块与所述中榫头对应;
[0009]所述上榫头与下榫头的头部均设置有引导部，所述上榫头的引导部向上倾斜，所述下榫头的引导部向下倾斜，两个所述铝榫槽的里端均设置有卡槽，两个所述卡槽分别与两个所述引导部对应;
[0010]所述上榫头的下表面从根部到头部向下倾斜，所述下榫头的上表面从根部到头部向上倾斜，所述中榫头的头部到根部逐渐缩窄。
[0011]进一步地，所述上榫头与下榫头的根部比头部厚，所述上榫头的上表面从根部到头部向下倾斜，所述下榫头的下表面从根部到头部向上倾斜。
[0012]进一步地，所述燕尾头包括上锥头和下锥头，所述上锥头向上倾斜，所述下锥头向下倾斜，所述上锥头与下锥头的前端均采用弧形设置，所述上锥头和下锥头的根部均与中榫头连接，所述上锥头与下锥头的头部均为自由端。
[0013]进一步地，所述引导部的内表面设置有引导斜面。
[0014]进一步地，所述铜板带的边缘采用台阶式。
[0015]进一步地，所述上榫头与下榫头内表面设有若干微齿，所述微齿呈倾斜排列，倾斜方向与所述中榫头嵌入方向一致。
[0016]进一步地，所述中榫头的外表面设置有若干齿槽，所述齿槽与微齿适配，所述燕尾头内嵌设有纳米陶瓷颗粒增强相。
[0017]第二方面，本发明提供一种生产如上述所述铜铝复合材料的方法，包括：
[0018]S1、通过精密轧制和激光雕刻工艺，分别制备具有所述榫接结构轮廓的铜板带和铝板带，其中铜板带的榫头部位进行表面纳米化处理，铝板带的铝榫槽部位进行微弧氧化处理;
[0019]S2、动态渐进式复合：
[0020]S2.1、将铜板带和铝板带分别预热至150-250℃;
[0021]S2.2、在保护气氛下，通过多组滚轮对铜板带和铝板带施加相向的侧向推力，使中榫头的燕尾头在所述引导部作用下向内收敛，推力从初始的50MPa逐步增加至最终200MPa，使所述引导部与铝榫槽产生弹性接触;
[0022]S2.3、继续增加侧向推力至250-300MPa，使所述引导部压迫铝榫槽侧壁产生向外塑性变形，同时中榫头的燕尾头在锥形块作用下向外扩张;
[0023]S3、多维压实强化：
[0024]S3.1、保持侧向推力200MPa，持续时间30-60秒;
[0025]S3.2、同步施加垂直方向的振荡压力，频率20-50Hz，振幅0.1-0.5mm，使微齿与齿槽充分啮合;
[0026]S4、梯度扩散热处理：
[0027]S4.1、在380-420℃下保温10-20分钟，使界面原子初步扩散;
[0028]S4.2、以5℃/min升温至480-520℃，保温15-30分钟，促进纳米陶瓷颗粒与基体的界面结合;
[0029]S4.3、以3℃/min升温至550-580℃，保温5-10分钟，完成原子充分扩散;
[0030]S5、界面强化后处理：
[0031]S5.1、在150-200℃下进行超声振动时效处理，频率25-35kHz，时间30-45分钟;
[0032]S5.2、通过精密轧制获得最终尺寸，并进行微弧氧化表面处理。
[0033]与现有技术相比，本发明提供的一种铜铝复合材料及其生产方法，通过设计具有上下引导式榫头与中部燕尾榫头相配合的复合榫卯结构，并在生产方法中采用动态渐进式复合与梯度扩散热处理工艺，显著增大了铜铝有效结合界面面积，并通过多重机械互锁与冶金结合的协同作用，极大提升了界面的结合强度、抗剪切能力和抗拉脱能力;独特的非对称斜面引导与变形设计，能够有效吸收和转化因震动及热膨胀差异产生的应力，抑制裂纹萌生与扩展;最终获得的复合材料界面接触电阻低且稳定，耐腐蚀性好。
附图说明
[0034]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0035]图1为本发明实施例提供的铜板带与铝板带分离状态结构示意图;
[0036]图2为本发明实施例提供的铜板带与铝板带复合状态结构示意图。
[0037]附图标记说明：
[0038]1、铜板带;101、上榫头;102、引导部;103、锥形块;104、下榫头;2、铝板带;201、铝榫槽;202、卡槽;203、燕尾头;204、中榫头。
具体实施方式
[0039]为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
[0040]如附图1至附图2所示：
[0041]实施例一：
[0042]本发明提供一种铜铝复合材料，包括铜板带1和铝板带2，铜板带1的一侧与铝板带2的一侧通过榫接结构连接后复合成带材;
[0043]榫接结构包括设置于铜板带1一侧的上榫头101和下榫头104，上榫头101与下榫头104对称设置，铝板带2的一侧设置有两个铝榫槽201，两个铝榫槽201分别与上榫头101和下榫头104适配，两个铝榫槽201之间的铝板带2一侧形成中榫头204，中榫头204的前端设置有燕尾头203，上榫头101与下榫头104之间的铜板带1一侧设置有锥形块103，锥形块103与中榫头204对应;
[0044]上榫头101与下榫头104的头部均设置有引导部102，上榫头101的引导部102向上倾斜，下榫头104的引导部102向下倾斜，两个铝榫槽201的里端均设置有卡槽202，两个卡槽202分别与两个引导部102对应;
[0045]上榫头101的下表面从根部到头部向下倾斜，下榫头104的上表面从根部到头部向上倾斜，中榫头204的头部到根部逐渐缩窄。
[0046]具体的，上榫头101与下榫头104的根部比头部厚，上榫头101的上表面从根部到头部向下倾斜，下榫头104的下表面从根部到头部向上倾斜。
[0047]具体的，燕尾头203包括上锥头和下锥头，上锥头向上倾斜，下锥头向下倾斜，上锥头与下锥头的前端均采用弧形设置，上锥头和下锥头的根部均与中榫头204连接，上锥头与下锥头的头部均为自由端。
[0048]具体的，引导部102的内表面设置有引导斜面。
[0049]具体的，铜板带1的边缘采用台阶式。
[0050]具体的，上榫头101与下榫头104内表面设有若干微齿，微齿呈倾斜排列，倾斜方向与中榫头204嵌入方向一致。
[0051]具体的，中榫头204的外表面设置有若干齿槽，齿槽与微齿适配，燕尾头203内嵌设有纳米陶瓷颗粒增强相。
[0052]其中：
[0053]本复合材料适用于高压开关柜、母线槽等要求极高机械强度与电气可靠性的电力传输场景，包括铜板带1和铝板带2，二者通过一种精密的榫接结构在侧向复合成一体化的带材。榫接结构是本发明实现高结合强度的核心。
[0054]所述铜板带1的复合侧，通过机加工一体成型有上榫头101和下榫头104，两者关于铜板带1的厚度中心线对称设置。上榫头101和下榫头104之间形成了一个开口朝向铝板带2的铜榫槽，槽内设有一个固定的锥形块103。所述铝板带2的复合侧，则加工有两个与上榫头101和下榫头104位置严格对应的铝榫槽201，两个铝榫槽201之间的实体部分构成了向铜板带1方向突出的中榫头204。该中榫头204的前端进一步加工出一个分叉的燕尾头203。
[0055]关键在于：
[0056]在上榫头101和下榫头104的头部尖端，分别设有一体成型的引导部102。上榫头101的引导部102向上(背离铜榫槽)倾斜，下榫头104的引导部102则向下(背离铜榫槽)倾斜。相应地，在每个铝榫槽201的最里端，加工有一个与引导部102倾斜角度匹配的卡槽202。此外，引导部102的内侧表面(面向铜榫槽的一侧)还加工有引导斜面。
[0057]上榫头101的下表面从其根部到头部设计为向下倾斜的斜面;而下榫头104的上表面从其根部到头部设计为向上倾斜的斜面。同时，铝板带2的中榫头204，其截面从头部到根部逐渐缩窄。这种“楔形”设计确保了在复合过程中及受载时，应力能够从结合部向基体材料平滑传递，避免应力集中。
[0058]为应对电力设备中可能遇到的巨大电动力和震动，本实施例在上榫头101和下榫头104的内表面(即面向铜榫槽的表面)加工了若干倾斜排列的微齿。微齿的倾斜方向与中榫头204的嵌入方向一致。相应地，在中榫头204的外表面，加工有与这些微齿精确啮合的齿槽。这种“微齿-齿槽”结构极大地增加了抗剪切能力。
[0059]为进一步提升燕尾头203的强度和耐磨性，在其内部通过
粉末冶金工艺嵌入了纳米
氧化铝陶瓷颗粒作为增强相。
[0060]工作原理：首先，通过精密设备将具有上述结构的铜板带1和铝板带2对齐。在施加侧向推力的初始阶段，铝板带2的燕尾头203首先接触到铜板带1引导部102的引导斜面。在斜面的作用下，燕尾头203的两个尖端被迫向内产生弹性收敛，从而得以顺利进入由上榫头101和下榫头104形成的通道。随着推力持续增加，引导部102完全进入铝榫槽201，其外斜面开始压迫铝榫槽201的侧壁，使其产生微量的向外塑性扩张。与此同时，燕尾头203的尖端运动到锥形块103的位置，在锥形块103的楔形作用下，燕尾头203被重新向外撑开。当引导部102运动至卡槽202位置时，在持续推力和材料自身弹性回复的作用下，引导部102“咔嗒”一声卡入卡槽202，形成第一道机械锁扣。随后，在垂直振荡压力的辅助下，铜侧的微齿与铝侧的齿槽完全啮合，形成第二道抗剪切锁扣。最终，通过热处理，铜铝界面实现原子级扩散结合，燕尾头203与铜榫槽、引导部102与卡槽202、微齿与齿槽共同构成一个刚柔并济、牢不可破的三维互锁体系。
[0061]通过动态引导下的三重互锁机制模拟了过盈配合，但通过精巧的斜面引导(引导部102斜面、锥形块103斜面)，将困难的直接过盈装配分解为“收敛-通过-扩张-锁止”的可控塑性变形过程。最终形成的结构同时具备机械卡扣锁(引导部102与卡槽202)、剪切齿锁(微齿与齿槽)和冶金扩散结合，从而为高可靠电力连接提供了出乎意料的结合强度、抗震动疲劳性能及长期稳定性。台阶式的铜板带1边缘设计，便于在后续安装中进行对位和焊接。
[0062]实施例二：
[0063]本实施例提供一种生产如上述铜铝复合材料的方法，包括：
[0064]S1、通过精密轧制和激光雕刻工艺，分别制备具有榫接结构轮廓的铜板带1和铝板带2，其中铜板带1的榫头部位进行表面纳米化处理，铝板带2的铝榫槽201部位进行微弧氧化处理;
[0065]采用精密轧制与超快脉冲激光雕刻相结合的方式，分别在铜带坯和铝带坯上加工出实施例一所述的所有微观榫卯结构轮廓。随后，对铜板带1的榫头部位进行表面机械纳米化处理，通过高速弹丸冲击使其表层晶粒细化至纳米级，显著提高表面活性和原子扩散能力;对铝板带2的铝榫槽201及中榫头204表面进行微弧氧化处理，生成一层多孔的陶瓷氧化膜，此膜层在后续复合中可被破碎并参与扩散，既能增强结合，又能提高铝侧的局部耐磨与耐蚀性。
[0066]S2、动态渐进式复合：
[0067]S2.1、将铜板带1和铝板带2分别预热至180℃;
[0068]此温度低于材料再结晶温度，旨在消除内应力、提高材料塑性而不引起微观组织变化，为后续塑性变形提供最佳条件。
[0069]S2.2、在保护气氛下，通过多组滚轮对铜板带1和铝板带2施加相向的侧向推力，使中榫头204的燕尾头203在引导部102作用下向内收敛，推力从初始的50MPa逐步增加至最终200MPa，使引导部102与铝榫槽201产生弹性接触;
[0070]具体为：在氩气保护气氛中，将预热的带材导入由多组伺服电机驱动的精密滚轮组。滚轮系统对两带材施加精确控制的相向侧向推力。推力从50MPa开始，在0.5秒内线性增加至200MPa。在此过程中，如实施例一所述，中榫头204的燕尾头203在引导部102斜面的作用下向内弹性收敛并滑入，引导部102与铝榫槽201壁实现紧密的弹性接触。
[0071]S2.3、继续增加侧向推力至280MPa，使引导部102压迫铝榫槽201侧壁产生向外塑性变形，同时中榫头204的燕尾头203在锥形块103作用下向外扩张;
[0072]此压力足以使铜引导部102对较软的铝榫槽201侧壁产生可控的微量塑性挤压，使其向外扩张，同时燕尾头203在锥形块103作用下完成向外扩张。当压力稍降，材料发生弹性回复时，引导部102便与卡槽202实现紧密的机械扣合。
[0073]S3、多维压实强化：
[0074]S3.1、保持侧向推力200MPa，持续时间30-60秒;
[0075]使初步互锁结构稳定。
[0076]S3.2、同步施加垂直方向的振荡压力，频率35Hz，振幅0.3mm，使微齿与齿槽充分啮合;
[0077]通过同步启动上下布置的超声振荡压头对复合带材施加垂直方向的交变压应力。此振荡作用能有效促进铜侧微齿与铝侧齿槽的进一步啮合，排挤界面残留的气体或杂质，使金属间接触从“面接触”优化为“三维体接触”。
[0078]S4、梯度扩散热处理：
[0079]将复合后的带材送入通有氮氢混合保护气的连续热处理炉。
[0080]S4.1、在400℃下保温15分钟，使界面原子初步扩散;
[0081]此阶段主要目的是使铜表面的纳米晶层与铝表面的氧化膜破裂处原子开始剧烈扩散，形成初步的、富含非晶相的冶金结合层，为后续高温扩散打下基础。
[0082]S4.2、以5℃/min升温至500℃，保温25分钟，促进纳米陶瓷颗粒与基体的界面结合;
[0083]此阶段是原子扩散的主阶段，铜、铝原子以及从铝侧氧化膜中破碎出来的氧原子、嵌入的纳米陶瓷颗粒相互扩散，形成成分梯度渐变、韧性较好的复杂过渡层，而非单一的脆性金属间化合物。
[0084]S4.3、以3℃/min升温至570℃，保温8分钟，完成原子充分扩散;
[0085]此阶段旨在消除前两阶段形成的扩散层内的微观缺陷，使界面结合层结构更趋于稳定，同时确保基体材料不过度软化。
[0086]S5、界面强化后处理：
[0087]S5.1、带材出炉后，在180℃下进行超声振动时效处理，频率30kHz，时间40分钟;
[0088]该处理能有效消除复合及热处理过程中产生的残余应力，提高产品的尺寸稳定性和抗应力腐蚀能力。
[0089]S5.2、通过精密轧制获得最终尺寸，并进行微弧氧化表面处理。
[0090]通过一道小变形量的精密冷轧，校准带材的厚度和平直度，并使其界面结合更加致密。对成品带材表面再次进行微弧氧化处理，形成均匀、致密的最终防护膜。
[0091]工作原理：通过时序可控的力-热协同工艺，将复杂的复合过程分解为“预热增塑→动态机械互锁→振荡密实→梯度扩散结合→稳定化处理”五个环环相扣的阶段。该方法不仅实现了实施例一中复杂三维互锁结构的成型，更通过表面纳米化与微弧氧化预处理、振荡压实和多段梯度热处理等工艺，主动干预并优化了界面层的成分与结构。最终获得的复合材料界面，是一个由机械互锁、纳米级冶金结合、增强相复合共同构成的“杂交”界面，其结合强度远高于单纯的扩散焊或机械锁合，特别适应
新能源汽车电池包在频繁充放电、剧烈震动及高低温循环等恶劣工况下对连接件超长寿命与极高可靠性的要求。
[0092]以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。
说明书附图(2)
声明：
“铜铝复合材料及其生产方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：上海亚大复合金属有限公司
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2026年03月25日 ~ 27日 
