CN100344799C - 纳米氧化铝颗粒增强铜基复合材料的复合电铸制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种纳米氧化铝颗粒增强铜基复合材料的复合电铸制备方法，用金属磷铜板作阳极材料，不锈钢片作为阴极沉积体，增强颗粒为纳米级氧化铝颗粒，采用氟碳阳离子表面活性剂或甲酰胺为共沉积促进剂。氧化铝颗粒先与共沉积促进剂溶液混合并进行搅拌处理，之后一起倒入硫酸铜电铸镀液中，通直流电并采用搅拌器不断搅拌电铸镀液，金属铜离子与增强体共同沉积在阴极母体上，最后将具有一定厚度的复合电铸镀层从阴极上剥离而得到整体纳米氧化铝颗粒增强铜基复合材料。本发明工艺成本较低，操作温度不高，制备的铜基复合材料增强颗粒分布均匀，强度高，延性好，整体厚度相对普通电镀镀层较大，可单独被用作功能结构材料。

Description

纳米氧化铝颗粒增强铜基复合材料的复合电铸制备方法
技术领域
本发明涉及一种铜基复合材料的制备方法，尤其涉及一种采用复合电铸法来制备粒径为纳米级的氧化铝颗粒增强铜基复合材料的方法，属复合电镀技术领域。
背景技术
氧化铝颗粒增强金属基复合材料是一类具有优异性能的功能结构复合材料，由于第二相颗粒的加入不但不会明显降低铜基体的导电性，而且由于颗粒的强化作用还改善了基体铜的室温及高温性能，其被广泛应用于点焊电极、电动机电刷、电触头等领域中。目前其制备方法很多，如内氧化法、复合铸造法、原位生成法、粉末冶金法、机械合金法等。这些制备方法有的需在高温下进行，有的需要控制氧气的输入量，操作温度高且工艺参数控制难度大，金属基体与增强体间也容易发生严重的界面反应、氧化反应，导致金属基体与增强体界面的结构和性能变差，最终使得复合材料的性能下降。同时，在制备过程中，增强体在基体中的分布难达到需要的均匀程度，纳米增强颗粒易发生团聚，纳米颗粒反而难以起到强化作用。此外，常规的复合电镀法主要是进行表面处理，大多数情况下仅是在零部件表面镀敷一层复合材料，得到的厚度较薄，与块状材料相比，其应用范围较窄。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种新的纳米氧化铝颗粒增强铜基复合材料的制备方法——复合电铸制备方法，在成本相对较低，操作温度不高的情况下，制备纳米颗粒分布均匀、整体厚度相对普通电镀镀层较大、具有强度高、延性大的铜基复合材料，可单独被用作功能结构材料。
为实现这样的目的，本发明的技术方案是：以复合电沉积原理为基础，首先采用金属磷铜板作为阳极材料，不锈钢片作为阴极沉积体，选择硫酸铜溶液作为电铸镀液，将纳米氧化铝颗粒放入共沉积促进剂水溶液中浸润并进行超声波搅拌和手动搅拌，搅拌充分后将其倒入电铸镀液中，然后通直流电，同时采用搅拌器不断搅拌电铸镀液，金属铜离子与纳米氧化铝颗粒共同沉积在阴极母体上，最后将具有一定厚度的复合电铸镀层从阴极上剥离而得到整体纳米氧化铝颗粒增强铜基复合材料。
本发明所使用的阳极材料为市售磷铜板(Cu为99％，P为0.16％)，电铸镀液选用硫酸铜电铸镀液，成分配制范围为：硫酸铜(CuSO4·5H2O)：180～250g/L；硫酸(H2SO4)：40～100g/L；纳米氧化铝粒子颗粒的粒径从20nm至100nm，在电铸镀液中的添加量为5～100g/L；采用的共沉积促进剂有两种：氟碳阳离子表面活性剂(在电铸镀液中的添加量为0.01～2.5g/L)或甲酰胺(在电铸镀液中的添加量为0.05～5ml/L)；直流电的大小采用电流密度表示，本发明的电流密度范围为4～20A/dm2；搅拌器的搅拌频率范围为：40～200转/分钟；电铸镀液的温度范围为15～55℃，电铸时间20～40小时。
本发明复合电铸在水溶液中进行，温度不超过90℃，而且只需在一般电镀设备基础上略加改造就可用作该复合电铸设备，成本较低。另外通过调整工艺参数可有效控制纳米氧化铝粒子在铜基复合材料中的含量和分布均匀程度，使材料在较大范围内保持较好的物理及力学性能。本发明制备的铜基复合材料，其厚度从几毫米到几十毫米可调，拉伸强度和屈服强度分别可达到383MPa、255MPa，延伸率仍保持在28％，且氧化铝粒子颗粒在铜基体中分布均匀、材料表面平整。
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1：
工艺步骤：采用的阳极材料为国产磷铜板，选用不锈钢片作为阴极沉积体。在电镀槽中配制硫酸铜电铸镀液，其成分为：硫酸铜(CuSO4·5H2O)：220g/L；硫酸(H2SO4)：70g/L。氧化铝颗粒粒径为20nm，在电铸镀液中的添加量为35g/L。共沉积促进剂选用甲酰胺，在电铸镀液中的添加量为1.5mL/L。选用的工艺参数：阴极电流密度为8A/dm2；镀液温度为25℃；搅拌频率为60转/分钟，电铸时间30小时。
在氧化铝颗粒加入电铸镀液中之前，先用蒸馏水与共沉积促进剂混和溶解，再将氧化铝颗粒放入其中进行超声波搅拌和手动搅拌，以打碎团聚的氧化铝颗粒并使其在溶液中更加分散，之后一起倒入电铸镀液中，通直流电并采用搅拌器不断搅拌电铸镀液，电铸30小时后将具有一定厚度的镀层从阴极不锈钢片上剥离，最后得到整体纳米氧化铝颗粒弥散增强铜基复合材料。
本实施例采用板式升降搅拌器，通过电机带动钻有许多小孔的平板，使其在槽内上下往复运动使颗粒在镀液中均匀悬浮分散。
本实施例所得氧化铝颗粒增强铜基复合材料厚度为2.5毫米。经X荧光光谱分析，氧化铝颗粒含量为4.1％(质量百分比)，材料的显微硬度HV为138，拉伸强度和屈服强度分别为383MPa、255MPa，延伸率为22％。
实施例2：
工艺步骤：阳极材料为国产磷铜板，不锈钢片作为阴极沉积体。硫酸铜电铸镀液的成分为：硫酸铜(CuSO4·5H2O)：200g/L；硫酸(H2SO4)：65g/L。氧化铝颗粒的粒径为20nm，在电铸镀液中的添加量为35g/L。共沉积促进剂成分是氟碳阳离子表面活性剂，在电铸镀液中的添加量为0.1g/L。选用的工艺参数：阴极电流密度为10A/dm2；镀液温度为30℃；搅拌频率为65转/分钟，电铸时间30小时。
在氧化铝颗粒加入电铸镀液中之前，先用蒸馏水与共沉积促进剂混和溶解，再将氧化铝颗粒放入其中进行超声波搅拌和手动搅拌，以打碎团聚的氧化铝颗粒并使其在溶液中更加分散，之后一起倒入电铸镀液中，通直流电并采用搅拌器不断搅拌电铸镀液，电铸30小时后将具有一定厚度的镀层从阴极不锈钢片上剥离，最后得到整体纳米氧化铝颗粒弥散增强铜基复合材料。
所得氧化铝颗粒增强铜基复合材料的厚度为3.4毫米。氧化铝颗粒含量为3.8％(质量百分比)，材料的显微硬度HV为157，拉伸强度和屈服强度分别为375MPa、248MPa，延伸率为25％。
实施例3：
工艺步骤：采用的阳极材料为国产磷铜板，不锈钢片作为阴极沉积体。在电镀槽中配制硫酸铜电铸镀液，其成分为：硫酸铜(CuSO4·5H2O)：220g/L；硫酸(H2SO4)：70g/L。氧化铝颗粒粒径为50nm，在电铸镀液中的添加量为35g/L。共沉积促进剂选用氟碳阳离子表面活性剂，在电铸镀液中的添加量为0.05g/L。选用的工艺参数：阴极电流密度为12A/dm2；镀液温度为35℃；搅拌频率为60转/分钟，电铸时间30小时。
在氧化铝颗粒加入电铸镀液中之前，先用蒸馏水与共沉积促进剂混和溶解，再将氧化铝颗粒放入其中进行超声波搅拌和手动搅拌，以打碎团聚的氧化铝颗粒并使其在溶液中更加分散，之后一起倒入电铸镀液中，通直流电并采用板式升降搅拌器不断搅拌电铸镀液，电铸30小时后将具有一定厚度的镀层从阴极不锈钢片上剥离，最后得到整体纳米氧化铝颗粒弥散增强铜基复合材料。
所得氧化铝颗粒增强铜基复合材料的厚度为3.4毫米。氧化铝颗粒增强铜基复合材料中氧化铝颗粒含量为3.2％(质量百分比)，材料的显微硬度HV为142，拉伸强度和屈服强度分别为368MPa、225MPa，延伸率为28％。

Claims (1)

1、一种纳米氧化铝颗粒增强铜基复合材料的复合电铸制备方法，其特征在于采用金属磷铜板作为阳极材料，不锈钢片作为阴极沉积体，电铸镀液成分范围为：硫酸铜180～250g/L；硫酸40～100g/L；纳米氧化铝颗粒的粒径为20～100nm，在电铸镀液中的添加量为5～100g/L；采用的共沉积促进剂有两种：氟碳阳离子表面活性剂，在电铸镀液中的添加量为0.01～2.5g/L，或甲酰胺，在电铸镀液中的添加量为0.05～5ml/L；直流电的电流密度范围为4～20A/dm2；搅拌器的搅拌频率范围为：40～200转/分钟；电铸镀液的温度范围为15～55℃，电铸时间20～40小时；将纳米氧化铝颗粒放入共沉积促进剂水溶液中浸润，搅拌充分后将其倒入电铸镀液中，然后通直流电，同时采用搅拌器不断搅拌电铸镀液，使金属铜离子与纳米氧化铝颗粒共同沉积在阴极母体上，最后将复合电铸镀层从阴极上剥离而得到整体纳米氧化铝颗粒增强铜基复合材料。
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