CN100560762C - 纳米与亚微米氧化铝混杂增强铜基复合材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米与亚微米氧化铝混杂增强铜基复合材料及其制备方法，在金属铜中包含尺寸和体积分数分别为10～50nm和0.5～2.5%的纳米氧化铝颗粒和尺寸和体积分数分别为0.1～0.9μm和5～10%的亚微米氧化铝颗粒。制备方法是将Cu-0.5wt%Al合金粉与CuO粉混合、真空加热后氧化制成预制块预热，将Al粉和CuO粉混匀后加入铜液中原位反应形成亚微米氧化铝颗粒，在真空和压力下使铜液渗入多孔预制块中，凝固后形成。本发明的材料强度、电导率、塑性等综合性能优于传统单一尺寸增强的材料，实现了复杂形状和大尺寸零件的近净成形，成本低，提高了材料的综合性能，提高了效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料，特别是一种金属基复合材料。
背景技术
氧化铝颗粒增强铜基复合材料具有高强度、高导电等优异的综合性能，因此可以替代铜合金用于电接触触头、集成电路引线框架、微波管结构、电阻焊电极、连铸钢结晶器、高强度电力线等领域。国内外所研制的氧化铝颗粒增强铜基复合材料，要么是纳米氧化铝颗粒增强铜基复合材料，要么是微米氧化铝颗粒增强铜基复合材料，纳米氧化铝颗粒增强铜基复合材料最有效的制备方法是内氧化法，该法获得的材料性能最高，但成本也很高，工艺复杂，且该材料后续加工难度大，难以制备形状复杂和大尺寸的零件；亚微米氧化铝混杂增强铜基复合材料采用原位反应法制备，导电率和强度等性能低。
发明内容
为了克服现有两种复合材料综合性能不高的不足，本发明提出了一种纳米与亚微米氧化铝混杂增强铜基复合材料，制备成本低、工艺方便、能实现复杂形状和大尺寸的近净成形、综合性能好、可靠性高。
本发明还提供涉及该材料的制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在金属铜中包含纳米氧化铝颗粒与亚微米氧化铝颗粒，纳米氧化铝颗粒的尺寸和体积分数分别为10～50nm和0.5～2.5％，亚微米氧化铝颗粒的尺寸和体积分数分别为0.1～0.9μm和5～10％。
所说的纳米氧化铝颗粒和亚微米氧化铝颗粒按下列过程形成：
将按质量比为Cu∶Al＝1∶0.005混合的粒度为200目的Cu-0.5wt％Al合金粉1000个单位重量与化学纯的CuO粉1个单位重量混合后，装入不锈钢密闭容器内密封，抽真空至10-3MPa，加热到800℃进行内氧化4～8小时，在Cu-0.5wt％Al合金粉内形成尺寸为10～50nm的纳米氧化铝颗粒，将含有纳米氧化铝颗粒的Cu-0.5wt％Al合金粉压制成80mm×40mm×10mm的多孔预制块，放进挤压铸造机的模具中预热，预热温度950～1050℃，预热时间10min。
将粒度为200目的Al粉20个单位重量和化学纯的CuO粉40个单位重量混匀后，加入3000个单位重量的1200℃铜液中原位反应形成亚微米氧化铝颗粒，原位反应式为2Al+3CuO＝3Cu+Al2O3。
再将含有亚微米氧化铝颗粒的铜液浇注到装有多孔预制块的挤压铸造机的模具中，在真空和50MPa压力下使铜液渗入多孔预制块中，凝固后形成纳米与亚微米氧化铝混杂增强铜基复合材料。
上述材料粒度范围：Cu-0.5wt％Al合金粉和Al粉粒径范围为D50≤100μm，CuO粉的粒径范围为D50≤20μm。
本发明的有益效果是：本发明与现有技术相比，突出的特点是将纳米和亚微米氧化铝的特点结合起来混杂增强铜基体，因此材料强度、电导率、塑性等综合性能优于传统单一尺寸增强的材料，特别是将内氧化法、原位反应法和挤压铸造法的特点结合起来，实现了复杂形状和大尺寸零件的近净成形，而且成本低于单一采用内氧化法等传统方法。以纳米和亚微米氧化铝混杂增强铜基体，提高了材料的综合性能；将固态和液态成形相结合，降低了成本，提高了效率。采用本发明纳米与亚微米氧化铝混杂增强铜基复合材料制造零件，其高温抗拉强度比铜合金提高了3倍，屈服强度比铜合金提高了3倍多，高温软化温度达到800℃，热导率超过300W/mK。这种材料可以广泛用于电接触触头、集成电路引线框架、微波管结构、电阻焊电极、连铸钢结晶器、高强度电力线等领域，具有很好的社会和经济效益。
下面结合实施例对本发明进一步说明。
具体实施方式
对原材料的化学成分要求如下：
材料名称 指标
Cu-0.5wt％Al合金粉 Cu+Al≥99.7％
Al粉 Al≥99.7％
CuO粉 CuO≥99％
金属铜 Cu≥99.9％
材料粒度范围：Cu-0.5wt％Al合金粉和Al粉粒径范围为D50≤100μm，CuO粉的粒径范围为D50≤20μm。
实施例1
本发明所述的纳米与亚微米氧化铝混杂增强铜基复合材料是在金属铜中包含纳米氧化铝颗粒与亚微米氧化铝颗粒，纳米氧化铝颗粒的平均尺寸和体积分数分别为30nm和2％，亚微米氧化铝颗粒的平均尺寸和体积分数分别为0.5μm和10％。
所述的纳米氧化铝颗粒和亚微米氧化铝颗粒按下列过程形成：将粒度为200目的Cu-0.5wt％Al合金粉1000g与化学纯的CuO粉1g混合后，装入不锈钢密闭容器内密封，抽真空至10-3MPa，加热到800℃进行内氧化8小时，在Cu-0.5wt％Al合金粉内形成尺寸为10～50nm的纳米氧化铝颗粒，将含有纳米氧化铝颗粒的Cu-0.5wt％Al合金粉压制成80mm×40mm×10mm的多孔预制块，放进挤压铸造机的模具中预热，预热温度1050℃，预热时间10min；所述Cu-0.5Al合金粉按质量比为Cu∶Al＝1∶0.005混合。
将粒度为200目的Al粉20g和化学纯的CuO粉40g混匀后，加入3000g的1200℃铜液中原位反应形成亚微米氧化铝颗粒。
再将含有亚微米氧化铝颗粒的铜液浇注到装有多孔预制块的挤压铸造机的模具中，在真空和50MPa压力下使铜液渗入多孔预制块中，凝固后形成纳米与亚微米氧化铝混杂增强铜基复合材料。
所述Cu-0.5wt％Al合金粉和Al粉平均粒径为50μm，所述CuO粉的平均粒径为10μm。
实施例2
本发明所述的纳米与亚微米氧化铝混杂增强铜基复合材料是在金属铜中包含纳米氧化铝颗粒与亚微米氧化铝颗粒，纳米氧化铝颗粒的平均尺寸和体积分数分别为20nm和1.5％，亚微米氧化铝颗粒的平均尺寸和体积分数分别为0.4μm和8％。
所述的纳米氧化铝颗粒和亚微米氧化铝颗粒按下列过程形成：将粒度为200目的Cu-0.5wt％Al合金粉1000g与化学纯的CuO粉1g混合后，装入不锈钢密闭容器内密封，抽真空至10-3MPa，加热到800℃进行内氧化6小时，在Cu-0.5wt％Al合金粉内形成尺寸为10～50nm的纳米氧化铝颗粒，将含有纳米氧化铝颗粒的Cu-0.5wt％Al合金粉压制成80mm×40mm×10mm的多孔预制块，放进挤压铸造机的模具中预热，预热温度1000℃，预热时间10min；所述Cu-0.5Al合金粉按质量比为Cu∶Al＝1∶0.005混合。
将粒度为200目的Al粉20g和化学纯的CuO粉40g混匀后，加入3000g的1200℃铜液中原位反应形成亚微米氧化铝颗粒。
再将含有亚微米氧化铝颗粒的铜液浇注到装有多孔预制块的挤压铸造机的模具中，在真空和50MPa压力下使铜液渗入多孔预制块中，凝固后形成纳米与亚微米氧化铝混杂增强铜基复合材料。
所述Cu-0.5wt％Al合金粉和Al粉平均粒径为50μm，所述CuO粉的平均粒径为10μm。
实施例3
本发明所述的纳米与亚微米氧化铝混杂增强铜基复合材料是在金属铜中包含纳米氧化铝颗粒与亚微米氧化铝颗粒，纳米氧化铝颗粒的平均尺寸和体积分数分别为10nm和1％，亚微米氧化铝颗粒的平均尺寸和体积分数分别为0.3μm和6％。
所述的纳米氧化铝颗粒和亚微米氧化铝颗粒按下列过程形成：将粒度为200目的Cu-0.5wt％Al合金粉1000g与化学纯的CuO粉1g混合后，装入不锈钢密闭容器内密封，抽真空至10-3MPa，加热到800℃进行内氧化4小时，在Cu-0.5wt％Al合金粉内形成尺寸为10～50nm的纳米氧化铝颗粒，将含有纳米氧化铝颗粒的Cu-0.5wt％Al合金粉压制成80mm×40mm×10mm的多孔预制块，放进挤压铸造机的模具中预热，预热温度950℃，预热时间10min；所述Cu-0.5Al合金粉按质量比为Cu∶Al＝1∶0.005混合。
将粒度为200目的Al粉20g和化学纯的CuO粉40g混匀后，加入3000g的1200℃铜液中原位反应形成亚微米氧化铝颗粒。
再将含有亚微米氧化铝颗粒的铜液浇注到装有多孔预制块的挤压铸造机的模具中，在真空和50MPa压力下使铜液渗入多孔预制块中，凝固后形成纳米与亚微米氧化铝混杂增强铜基复合材料。
所述Cu-0.5wt％Al合金粉和Al粉平均粒径为50μm，所述CuO粉的平均粒径为10μm。
Claims (3)
1、纳米与亚微米氧化铝混杂增强铜基复合材料，其特征在于：铜基复合材料中包含纳米氧化铝颗粒与亚微米氧化铝颗粒，余量为铜；纳米氧化铝颗粒的尺寸和体积分数分别为10～50nm和0.5～2.5％，亚微米氧化铝颗粒的尺寸和体积分数分别为0.1～0.9μm和5～10％。
2、纳米与亚微米氧化铝混杂增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于包括下述步骤：
(a)将按质量比为Cu∶Al＝1∶0.005混合的粒度为200目的Cu-0.5wt％Al合金粉1000个重量单位与粒径范围为D50≤20μm的化学纯的CuO粉1个重量单位混合后，装入不锈钢密闭容器内密封，抽真空至10-3MPa，加热到800℃进行内氧化4～8小时，在Cu-0.5wt％Al合金粉内形成尺寸为10～50nm的纳米氧化铝颗粒，将含有纳米氧化铝颗粒的Cu-0.5wt％Al合金粉压制成80mm×40mm×10mm的多孔预制块，放进挤压铸造机的模具中预热，预热温度950～1050℃，预热时间10min；
(b)将粒度为200目的Al粉20个重量单位和粒径范围为D50≤20μm的化学纯的CuO粉40个重量单位混匀后，加入3000个重量单位的1200℃铜液中原位反应形成亚微米氧化铝颗粒；
(c)将含有亚微米氧化铝颗粒的铜液浇注到装有多孔预制块的挤压铸造机的模具中，在真空和50MPa压力下使铜液渗入多孔预制块中，凝固后形成纳米与亚微米氧化铝混杂增强铜基复合材料。
3、根据利用权利要求2所述的纳米与亚微米氧化铝混杂增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的Cu-0.5wt％Al合金粉和Al粉粒径范围为D50≤100μm。
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