CN101928854A - 镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料及其制备方法，它属于铜基复合材料领域。本发明解决了由于铜对二硼化钛的润湿性差，现有工艺很难制备致密化的TiB2/Cu复合材料；由于二硼化钛颗粒与铜的热膨胀系数和弹性模量相差较大，在冷却过程中易产生裂纹的问题。本发明产品按体积百分比由70%～99%基体相和1%～30%镀铜二硼化钛颗粒制成，基体相为纯铜粉或铜合金粉，方法：一、混料；二、烧结。本发明铜基复合材料中二硼化钛颗粒分布均匀、界面结合良好，而且兼具良好力学性能和导电性能，得到一种高强度、高耐磨、高导电、高导热结构功能一体化的铜基复合材料，具有广泛的应用领域。
Description
技术领域
本发明属于铜基复合材料领域，具体涉及镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料及其制备方法。
背景技术
随着电子技术、计算机和信息技术的迅猛发展，焊接电极、接触导线、轴瓦和集成电路引线框架、仪器仪表、电子通信器件中的接触元件等部件种类增多，需求量急剧加大，而且器件向高集成电路化、高密实装化等方向变化，要求材料不仅具有良好的导电性能、导热性能、弹性极限和韧性，而且还应具有良好的耐磨性能，较高的抗拉强度，较低的热膨胀系数，并且具有良好的成型性和电镀及封装性能。铜和铜合金是传统的高导电、导热材料，在电器、电子等工业部门有着很多重要的用途。由于强度和耐热性不足，铜和合金的应用受到了很大的限制。而铜合金强度的提高很大程度上都是以牺牲电导率为代价的，如何解决这一矛盾，将是研究的关键课题。
引入导电增强相被看作是一个制备高强、高导铜基复合材料的有效手段。二硼化钛（TiB2）作为一种高强、高导电性的稳定陶瓷材料受到广泛的关注。二硼化钛具有高熔点、高硬度、高杨氏模量、高温区高导电率和抗腐蚀性，因此，二硼化钛系复合材料有望在不降低或少降低导电性的同时，提高材料高温下的力学性能。二硼化钛的密度远低于铜，这将使材料更易实现轻质高强。铜对二硼化钛的润湿性不好，铜与二硼化钛陶瓷之间的润湿角在真空中为142°，如此差的润湿性必然导致界面处结合不好，致密化的TiB2/Cu复合材料很难制备；另外由于二硼化钛颗粒与铜的热膨胀系数和弹性模量相差较大，冷却时在结合不好的陶瓷和金属界面处将会产生较大的热应力，从而在该界面处易于产生裂纹。
发明内容
本发明的目的是为了解决由于铜对二硼化钛的润湿性差，现有工艺很难制备致密化的TiB2/Cu复合材料；由于二硼化钛颗粒与铜的热膨胀系数和弹性模量相差较大，在冷却过程中易产生裂纹的问题；而提供了均匀分散、细小的金属铜包覆型陶瓷粉体。
本发明中镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料按体积百分比由70%~99%基体相和1%~30%镀铜二硼化钛颗粒（作为增强相）制成，基体相为纯铜粉或铜合金粉。
制备方法一：镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料的制备方法是按下述步骤进行的：一、按体积百分比称取70%~99%基体相和1%~30%镀铜二硼化钛颗粒然后放入混粉机内，在100~300r/min转速、球料质量比为1~10:1条件下处理4~20小时，得到混料，其中基体相为纯铜粉或铜合金粉；二、将步骤一获得的混料装入石墨模具内，然后放入真空热压炉中，对真空热压炉抽真空至真空度为0.01～0.1Pa，然后升温至800～1000℃，同时对石墨模具施加压力至压强为10～40MPa，保压保温60～120min，然后随炉冷却至室温，退模得到块体，即获得镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料；该方法所制备的铜基复合材料抗的拉强度在195MPa以上，百分电导率在60%IACS以上。
制备方法二：镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料的制备方法是按下述步骤进行的：一、按体积百分比称取70%~99%基体相和1%~30%镀铜二硼化钛颗粒然后放入混粉机内，在100~ 300r/min转速、球料质量比为1~10:1条件下处理4~20小时得到混料，其中基体相为纯铜粉或铜合金粉；二、将步骤一获得的混料装入石墨模具内，然后放入真空热压炉中，对真空热压炉抽真空至真空度为0.01～0.1Pa，然后升温至800～1000℃，同时对石墨模具施加压力至压强为10～40MPa，保压保温60～120min，然后随炉冷却至室温，退模得到块体；三、将步骤二获得的块体加热至700～800℃后保温20~60min，同时将热挤压模具加热400~600℃后保温20~60min，然后将块体放入热挤压模具内，立即采用正挤压法进行热挤压，挤压比为16~36：1，挤压速度为100~1000mm/min，即获得镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料；该方法所制备的铜基复合材料抗的拉强度在195MPa以上，百分电导率在60%IACS以上。
镀铜二硼化钛颗粒改善金属-陶瓷界面的浸润性，提高金属与陶瓷的结合强度，因而也就提高了铜基复合材料力学性能和导电性能，镀铜二硼化钛颗粒的热膨胀系数和弹性模量与铜相近，冷却时减小陶瓷和金属界面处的热应力，从而在该界面处不易形成裂纹（参见图3）；达到结构功能一体化的应用要求。镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料中增强相颗粒分布均匀，基体与增强相的界面结合良好且组织致密；而且兼具良好的力学性能和导电性能，得到一种高强度高导电结构与功能一体化的铜基复合材料，具有广泛的应用领域。
附图说明
图1 是具体实施方式二十中二硼化钛颗粒镀铜后的形貌图；图2是 15vol.% TiB2/Cu（未镀铜）复合材料中TiB2表面镀铜与否的界面结合情况图；图3是具体实施方式二十制备的镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料中TiB2表面镀铜与否的界面结合情况图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式中镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料按体积百分比由70%~99%基体相和1%~30%镀铜二硼化钛颗粒制成，基体相为纯铜粉或铜合金粉。
本实施方式所述的镀铜二硼化钛颗粒是利用化学镀法在二硼化钛颗粒表面镀铜。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料按体积百分比由80%~90%基体相和10%~20%镀铜二硼化钛颗粒制成。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料按体积百分比由85%基体相和15%镀铜二硼化钛颗粒制成。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的镀铜二硼化钛颗粒中铜占镀铜二硼化钛颗粒总重量的10%~50%。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的镀铜二硼化钛颗粒中铜占镀铜二硼化钛颗粒总重量的20%~40%。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的镀铜二硼化钛颗粒中铜占镀铜二硼化钛颗粒总重量的30%。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述的镀铜二硼化钛颗粒粒径大小为1~10μm。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述的镀铜二硼化钛颗粒粒径大小为2~8μm。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式九：本实施方式中镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料的制备方法是按下述步骤进行的：一、按体积百分比称取70%~99%基体相和1%~30%镀铜二硼化钛颗粒然后放入混粉机内，在100~ 300r/min转速、球料质量比为1~10:1条件下处理4~20小时，得到混料，其中基体相为纯铜粉或铜合金粉；二、将步骤一获得的混料装入石墨模具内，然后放入真空热压炉中，对真空热压炉抽真空至真空度为0.01～0.1Pa，然后升温至800～1000℃，同时对石墨模具施加压力至压强为10～40MPa，保压保温60～120min，然后随炉冷却至室温，退模得到块体，即获得镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是：步骤一所述的镀铜二硼化钛颗粒中铜占镀铜二硼化钛颗粒总重量的10%~50%。其它步骤和参数与具体实施方式九相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式九或十不同的是：步骤二所述镀铜二硼化钛颗粒粒径大小为1~10μm。其它步骤和参数与具体实施方式九或十相同。
具体实施方式十二：本实施方式中镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料的制备方法是按下述步骤进行的：一、按体积百分比称取99%纯铜粉（基体相）和1%镀铜二硼化钛颗粒然后放入混粉机内，在200r/min转速、球料质量比为5:1条件下处理15小时，得到混料，其中所述的镀铜二硼化钛颗粒是在TiB2粒子表面化学镀覆重量比为10%的Cu涂层，电解铜粉的粒径为200目，TiB2粒子的粒径为1μm~2μm；二、将步骤一获得的混料装入石墨模具内，然后放入真空热压炉中，对真空热压炉抽真空至真空度为0.02Pa，然后升温至850℃，同时对石墨模具施加压力至压强为20MPa，保压保温70min，然后随炉冷却至室温，退模得到块体，即获得镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料。
为了进一步提高复合材料的致密度，改善复合材料中二硼化钛颗粒分布的均匀性，从而提高复合材料的力学性能和导电性能，因此对复合材料块体进行热挤压变形。采用正挤压，挤压比为16：1，复合材料块体和模具分开加热，模具加热至600℃，复合材料加热至800℃，保温40分钟后，将复合材料放入模具，立即进行热挤压，从而获得复合材料棒材。
本实施方式制备的镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料的抗拉强度约为195MPa，高出纯铜的抗拉强度约10%，导电性能为90%IACS。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式十二不同的是：步骤一中、按体积百分比称取70%纯铜粉（基体相）和30%镀铜二硼化钛颗粒然后放入混粉机内。其它步骤和参数与具体实施方式十二相同。
具体实施方式十四：本实施方式中镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料的制备方法是按下述步骤进行的：一、按体积百分比称取70%~99%基体相和1%~30%镀铜二硼化钛颗粒然后放入混粉机内，在100~300r/min转速、球料质量比为1~10:1条件下处理4~20小时，得到混料，其中基体相为纯铜粉或铜合金粉；二、将步骤一获得的混料装入石墨模具内，然后放入真空热压炉中，对真空热压炉抽真空至真空度为0.01～0.1Pa，然后升温至800～1000℃，同时对石墨模具施加压力至压强为10～40MPa，保压保温60～120min，然后随炉冷却至室温，退模得到块体；三、将步骤二获得的块体加热至700～800℃后保温20~60min，同时将热挤压模具加热400~600℃后保温20~60min，然后将块体放入热挤压模具内，立即采用正挤压法进行热挤压， 挤压比为16~36：1，挤压速度为：100~1000mm/min，即获得镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式十四不同的是：步骤一所述的镀铜二硼化钛颗粒中铜占镀铜二硼化钛颗粒总重量的10%~50%。其它步骤和参数与具体实施方式十四相同。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式十四或十五不同的是：步骤二所述镀铜二硼化钛颗粒粒径大小为1~10μm。其它步骤和参数与具体实施方式十四或十五相同。
具体实施方式十七：本实施方式中镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料的制备方法是按下述步骤进行的：一、按体积百分比称取99%纯铜粉（基体相）和1%镀铜二硼化钛颗粒然后放入混粉机内，在200r/min转速、球料质量比为5:1条件下处理4小时，得到混料，其中所述的镀铜二硼化钛颗粒是在TiB2粒子表面化学镀覆重量比为10%的Cu涂层，电解铜粉的粒径为200目，TiB2粒子的粒径为1μm~2μm；二、将步骤一获得的混料装入石墨模具内，然后放入真空热压炉中，对真空热压炉抽真空至真空度为0.02Pa，然后升温至850℃，同时对石墨模具施加压力至压强为20MPa，保压保温70min，然后随炉冷却至室温，退模得到块体；三、将步骤二获得的块体加热至800℃后保温20~60min，同时将热挤压模具加热600℃后保温40min，然后将块体放入热挤压模具内，立即采用正挤压法进行热挤压，挤压比为16：1，挤压速度为：1000mm/min，即获得镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料。
本实施方式制备的镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料的抗拉强度约为195MPa，高出纯铜的抗拉强度约10%，导电性能为90%IACS。
具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式十七不同的是：步骤一中按体积百分比称取90%纯铜粉（基体相）和10%镀铜二硼化钛颗粒然后放入混粉机内，其中所述的镀铜二硼化钛颗粒中铜占镀铜二硼化钛颗粒总重量的30%。其它步骤和参数与具体实施方式十七相同。
本实施方式制备的镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料的抗拉强度约为240Mpa，高出纯铜的抗拉强度约25%，导电性能为71.6%IACS。
具体实施方式十九：本实施方式与具体实施方式十七不同的是：步骤一中按体积百分比称取80%纯铜粉（基体相）和20%镀铜二硼化钛颗粒然后放入混粉机内，其中所述的镀铜二硼化钛颗粒中铜占镀铜二硼化钛颗粒总重量的50%。其它步骤和参数与具体实施方式十七相同。
本实施方式制备的镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料的抗拉强度约为320MPa，高出纯铜的抗拉强度约65%，导电性能为60%IACS。
具体实施方式二十：本实施方式与具体实施方式十七不同的是：步骤一中按体积百分比称取85%纯铜粉（基体相）和15%镀铜二硼化钛颗粒然后放入混粉机内。其它步骤和参数与具体实施方式十七相同。
本实施方式中二硼化钛表面的铜涂层可以有效改善二硼化钛和铜基体之间的润湿，促进烧结，从而提高最终的力学性能，达到结构功能一体化的应用要求。将本实施方式制备的铜基复合材料与纯铜和TiB2/Cu复合材料相比较，具体内容如下：二硼化钛镀铜后的形貌如图1所示。可以看出二硼化钛颗粒被铜包覆的比较完整，均匀分散、颗粒细小，并且二硼化钛分散得比较好，没有几个颗粒同时被铜包覆成一个大颗粒的情况，这样的镀铜颗粒适合于制备复合材料。由图2可以看出未镀铜二硼化钛颗粒与基体的界面结合不好，颗粒周围存在着空隙。从图3可知，本实施方式制备的铜基复合材料的界面得到了很好的改善，颗粒和颗粒周围的基体结合很好，无裂纹，因此经过化学镀铜的复合材料的抗拉强度要优于未经过镀铜处理制备的复合材料，上述材料力学性能和导电性能如表1所示：
表1纯铜及其铜基复合材料的力学性能和导电性能表
| 材料 | 抗拉强度（MPa） | 百分电导率（%） |
| Cu | 177 | 92.5 |
| 本实施方式镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料 | 267 | 67.5 |
| 15vol.TiB2/Cu(未镀铜) | 225 | 57.5 |
表1比较了纯铜及其铜基复合材料的室温力学性能和导电性能，明显可以看出镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料的力学性能和导电性能优良。
Claims (10)
1.镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料，其特征在于镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料按体积百分比由70%~99%基体相和1%~30%镀铜二硼化钛颗粒制成，基体相为纯铜粉或铜合金粉。
2.根据权利要求1所述的镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料，其特征在于镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料按体积百分比由80%~90%基体相和10%~20%镀铜二硼化钛颗粒制成。
3.根据权利要求1或2所述镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料，其特征在于所述的镀铜二硼化钛颗粒中铜占镀铜二硼化钛颗粒总重量的10%~50%。
4.根据权利要求4所述镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料，其特征在于所述的镀铜二硼化钛颗粒粒径大小为1~10μm。
5.如权利要求1所述镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料的制备方法是按下述步骤进行的：一、按体积百分比称取70%~99%基体相和1%~30%镀铜二硼化钛颗粒然后放入混粉机内，在100~300r/min转速、球料质量比为1~10:1条件下处理4~20小时，得到混料，其中基体相为纯铜粉或铜合金粉；二、将步骤一获得的混料装入石墨模具内，然后放入真空热压炉中，对真空热压炉抽真空至真空度为0.01～0.1Pa，然后升温至800～1000℃，同时对石墨模具施加压力至压强为10～40MPa，保压保温60～120min，然后随炉冷却至室温，退模得到块体，即获得镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料。
6.根据权利要求6所述镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料的制备方法步骤一所述的镀铜二硼化钛颗粒中铜占镀铜二硼化钛颗粒总重量的10%~50%。
7.根据权利要求5或6所述镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于步骤二所述镀铜二硼化钛颗粒粒径大小为1~10μm。
8.如权利要求1所述镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料的制备方法是按下述步骤进行的：一、按体积百分比称取70%~99%基体相和1%~30%镀铜二硼化钛颗粒然后放入混粉机内，在100~ 300r/min转速、球料质量比为1~10:1条件下处理4~20小时，得到混料，其中基体相为纯铜粉或铜合金粉；二、将步骤一获得的混料装入石墨模具内，然后放入真空热压炉中，对真空热压炉抽真空至真空度为0.01～0.1Pa，然后升温至800～1000℃，同时对石墨模具施加压力至压强为10～40MPa，保压保温60～120min，然后随炉冷却至室温，退模得到块体；三、将步骤二获得的块体加热至700～800℃后保温20~60min，同时将热挤压模具加热400~600℃后保温20~60min，然后将块体放入热挤压模具内，立即采用正挤压法进行热挤压，挤压比为16~36：1，挤压速度为：100~1000mm/min，即获得镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料。
9.根据权利要求8所述镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于步骤一所述的镀铜二硼化钛颗粒中铜占镀铜二硼化钛颗粒总重量的10%~50%。
10.根据权利要求8或9所述镀铜二硼化钛颗粒增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于步骤二所述镀铜二硼化钛颗粒粒径大小为1~10μm。
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