CN100395361C - 一种Cu/Ti3AlC2复合材料及其浸渗烧结制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种Cu/Ti3AlC2复合材料及其浸渗烧结制备方法。该材料中Ti3AlC2的体积含量为25～85%，其余为Cu；该材料的制备方法：将Ti3AlC2粉末冷压成空隙率为15～75%的坯体，将此坯体置于石墨坩埚内用Cu粉埋覆，在氩气保护下将炉温升至1100～1200℃，保温10～60min，熔融的Cu借助与Ti3AlC2颗粒之间的界面张力浸渗到Ti3AlC2坯体的空隙，冷却后即得到本发明的Cu/Ti3AlC2复合材料；该材料具有高强度、高导电率、耐磨耗等显著特点，可广泛用于制造机械、电工、化工和能源领域的关键器件。
Description
技术领域
本发明涉及一种Cu/Ti3AlC2复合材料和一种用浸渗烧结法制备该材料的方法。
背景技术
许多机械、电工、化工和能源领域的设备零件要求所使用的材料具有高的强度、良好的耐磨性和自润滑性、良好的导电性和耐电弧烧蚀性能、良好的导热性和耐腐蚀性。为此，多年来已经发展了许多种金属材料、非金属材料和它们的复合材料。但是，随着高、新技术的发展，对材料性能的要求越来越高，必须不断地发明新的高性能材料以满足不断发展的高、新技术的需求。
Ti3AlC2是一种新型的三元碳化物陶瓷，由M.A.Pietzka和J.C.Schuster于1994年首次在《J.Phase Equilib》第15期392页公开报道。Ti3AlC2属于六方晶系，具有层状的晶体结构，理论密度为4.25g/cm3。Ti3AlC2材料具有良好的导电、导热性能和摩擦学性能。室温下，致密的多晶Ti3AlC2块体材料的电阻率为0.35μΩ·m(N.V.Tzenov&M.W.Barsoum，J.Am.Ceram.Soc，2000，83[4]：825)。在60m/s的高速滑动下，致密的多晶Ti3AlC2块体材料对低碳钢的干摩擦系数约为0.1，磨损率不超过3.0×10-6mm3/Nm(H-X Zhai & Z-YHuang，et al，J.Am.Ceram.Soc.，2005，88[11]：3270)。但是，Ti3AlC2材料的强度较低；室温下，致密的多晶Ti3AlC2块体材料的抗弯强度仅为375±15MPa(N.V.Tzenov & M.W.Barsoum，J.Am.Ceram Soc.，2000，83[4]：825)。此外，致密的多晶Ti3AlC2块体材料通常需要采用1400℃以上的高温和30MPa以上的热压工艺才能制成，不利于大尺寸的或复杂形状的零件的制造。
发明内容
本发明为获得一种高性能材料，提供一种Cu/Ti3AlC2复合材料和用浸渗烧结法制备该材料的方法。
本发明的技术方案：
本发明的Cu/Ti3AlC2复合材料，其成分如下：
Ti3AlC2的体积含量为25～85vol％，其余为Cu。
本发明的一种Cu/Ti3AlC2复合材料浸渗烧结制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)体制备：用模压或冷等静压的方法，将Ti3AlC2粉木冷压成空隙率为15～75％的坯体；
(2)浸渗烧结：将步骤(1)制作的Ti3AlC2坯体置于石墨坩埚内，放入Cu粉将坯体埋覆，然后将石墨坩埚放入高温炉，在氩气保护下，将炉温升至1100～1200℃，保温10～60min，熔融的Cu借助与Ti3AlC2颗粒之间的界面张力浸渗到Ti3AlC2坯体的空隙，冷却后即得到本发明的Cu/Ti3AlC2复合材料。
发明效果：本发明的Cu/Ti3AlC2复合材料，其抗弯强度依Ti3AlC2和Cu的比例而改变，Ti3AlC2的比例越大，Cu/Ti3AlC2复合材料的抗弯强度越高；其最高抗弯强度可达1000MPa以上，显著高于单相的Ti3AlC2材料和已知的大多数Cu合金材料。本发明的Cu/Ti3AlC2复合材料，其电阻率依Ti3AlC2和Cu的比例而不同，Ti3AlC2的比例越大，Cu/Ti3AlC2复合材料的电阻率越大，但最大电阻率不超过0.8μΩm。本发明的Cu/Ti3AlC2复合材料，在60m/s的滑动速度下与低碳钢的干摩擦系数为0.2左右，磨损率不大于3×10-6mm3/Nm，显著低于一般的Cu合金材料或Cu与其它陶瓷的复合材料。可根据使用要求选取Ti3AlC2和Cu的体积比例。本发明的Cu/Ti3AlC2复合材料的浸渗烧结制备方法，工艺简单，易于操作，适合大尺寸的或复杂形状的零件的制造。
本发明的Cu/Ti3AlC2复合材料及其浸渗烧结制备方法，可广泛用于制造机械、电工、化工、能源和交通领域的高性能关键器件，如电器触头、受流器滑块、热交换器芯管、高速齿轮和凸轮等。
附图说明
图1为典型Cu/Ti3AlC2复合材料显微结构的扫描电子显微镜(SEM)照片；深色部分为Ti3AlC2颗粒，浅色部分为浸渗到Ti3AlC2颗粒之间的Cu。
图2为图1所示的Cu/Ti3AlC2复合材料的三点弯曲断口的扫描电子显微镜(SEM)照片；深色部分为Ti3AlC2颗粒，浅色部分为浸渗到Ti3AlC2颗粒之间的Cu。
具体实施方式
实施方式一
称取纯度为98.6％的Ti3AlC2粉2.95克、纯度为99.6％的Cu粉40克，用模压方法将Ti3AlC2粉冷压成空隙率约为70％的块状坯体，将此坯体放入石墨坩埚，再放入Cu粉将其埋覆，然后将石墨坩埚放入高温炉，抽真空后充入氩气，以30℃/min的升温速率将炉温升至1200℃，保温10min，以10～15℃/min的速率将炉温降至60℃，之后将浸渗产物取出，清除浸渗产物体外包覆的Cu，即得到Ti3AlC2体积含量约为30％的Cu/Ti3AlC2复合材料。
实施方式二
称取纯度为98.6％的Ti3AlC2粉4.90克、纯度为99.6％的Cu粉40克，用模压方法将Ti3AlC2粉冷压成空隙率约为55％的块状坯体，将此坯体放入石墨坩埚，再放入Cu粉将其埋覆，然后将石墨坩埚放入高温炉，抽真空后充入氩气，以30℃/min的升温速率将炉温升至1150℃，保温20min，以10～15℃/min的速率将炉温降至60℃，之后将浸渗产物取出，清除浸渗产物体外包覆的Cu，即得到Ti3AlC2体积含量约为45％的Cu/Ti3AlC2复合材料。
实施方式三
称取纯度为98.6％的Ti3AlC2粉6.85克、纯度为99.6％的Cu粉40克，用模压方法将Ti3AlC2粉冷压成空隙率约为35％的块状坯体，将此坯体放入石墨坩埚，再放入Cu粉将其埋覆，然后将石墨坩埚放入高温炉，抽真空后充入氩气，以30℃/min的升温速率将炉温升至1150℃，保温30min，以10～15℃/min的速率将炉温降至60℃，之后将浸渗产物取出，清除浸渗产物体外包覆的Cu，即得到Ti3AlC2体积含量约为65％的Cu/Ti3AlC2复合材料。
实施方式四
称取纯度为98.6％的Ti3AlC2粉48克、纯度为99.6％的Cu粉200克，用冷等静压方法将Ti3AlC2粉压成空隙率约为15％的块状坯体，将此坯体放入石墨坩埚，再放入Cu粉将其埋覆，然后将石墨坩埚放入高温炉，抽真空后充入氩气，以30℃/min的升温速率将炉温升至1100℃，保温60min，以10～15℃/min的速率将炉温降至60℃，之后将浸渗产物取出，清除浸渗产物体外包覆的Cu，得到Ti3AlC2体积含量约为85％的Cu/Ti3AlC2复合材料。
Claims (2)
1.一种Cu/Ti3AlC2复合材料，其特征在于：其成分如下：
Ti3AlC2的体积含量为25～85vol％，其余为Cu。
2.一种Cu/Ti3AlC2复合材料浸渗烧结制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)坯体制备：用模压或冷等静压的方法，将Ti3AlC2粉末冷压成空隙率为15～75％的坯体；这些空隙通过下述的步骤(2)由Cu填充，以形成权利要求1所述的Ti3AlC2含量为25～85vol％、其余为Cu的Cu/Ti3AlC2复合材料；
(2)浸渗烧结：将步骤(1)制作的Ti3AlC2坯体置于石墨坩埚内，放入Cu粉将坯体埋覆，然后将石墨坩埚放入高温炉，在氩气保护下，将炉温升至1100～1200℃，保温10～60min，熔融的Cu借助与Ti3AlC2颗粒之间的界面张力浸渗到Ti3AlC2坯体的空隙，冷却后即得到本发明的Cu/Ti3AlC2复合材料。
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