CN102943187A - 纳米多孔铜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及纳米多孔铜的制备方法,涉及有孔隙的合金的制造,是一种采用自由脱合金技术制备纳米多孔铜的方法,步骤是:先依据目标合金中各元素的原子百分比:Cu为50.00~55.00%、Hf为40.00~45.00%和其余为铝,称取质量百分比纯度为99.99%的铜片、质量百分比纯度为99.99%的铪粒以及质量百分比纯度为99.99%的铝块,该母合金原料置于真空电弧炉中,熔炼制得Cu-Hf-Al母合金铸锭;再将该母合金铸锭制备Cu-Hf-Al非晶合金条;最后用用低浓度氢氟酸溶液进行去合金化处理制备纳米多孔金属铜条带。本发明方法克服了现有技术制备工艺操作复杂,成本高,生产周期长,不适宜大规模工业化生产的缺点。
Description
技术领域
本发明的技术方案涉及有孔隙的合金的制造,具体地说是纳米多孔铜的制备方法。
背景技术
纳米多孔金属是孔径尺寸为纳米量级的多孔金属材料,相对传统的多孔金属,其孔径尺寸更小,比表面积更高,因而具有特殊的物理、化学和力学性能,例如独特的电磁性能、更高的化学活泼性、更高的强度等。因此,纳米多孔金属开拓了多孔金属的应用领域,作为潜在的传感器、热交换器、催化材料、表面增强拉曼散射以及低密度高屈服强度材料受到了国际材料学界的高度重视。
近年来,采用脱合金法制备纳米多孔金属成为国际上一大研究热潮,有研究指出,用脱合金法制备的纳米多孔铜,虽然局部存在一定的裂纹,但其屈服强度仍然较高,且制备成本大大降低。另一方面,由于非晶合金材料有更为优良的抗多种介质腐蚀能力,优异的物理、力学性能及良好的加工性能,因此在现有纳米多孔金属的制备方法中,选择非晶合金为基体材料进行脱合金化处理,避免了晶体缺陷、偏聚等晶体材料所具有的普遍特征对纳米多孔金属材料制备效果的限制。CN101956090A公开了一种采用Cu-Zn合金制备纳米多孔铜的方法, 采用恒电位脱合金法制备出了纳米多孔铜,其化学成分(以质量分数wt.%计)为:Cu-60%Zn,Cu-70%Zn,Cu-80%Zn,分别相当于原子比为Cu17Zn25,Cu11Zn25,Cu13Zn50。该方法存在制造工艺复杂、生产周期长和成本高的缺点。CN101596598A披露了一种整体连续纳米多孔铜的制备方法,采用高温脱合金制备工艺制造出了整体连续的纳米多孔铜,其化学成分(以原子百分比at.%计)为:Cu30~55%,其余为Al。该方法存在制备工艺操作复杂,成本高,且生产周期较长,不适宜大规模工业化生产的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:提供纳米多孔铜的制备方法,是一种采用自由脱合金技术制备纳米多孔铜的方法,以三元非晶合金材料为原始材料,在室温下,用低浓度氢氟酸溶液进行自由脱合金化处理,快速制备纳米多孔铜,克服了现有技术制备工艺操作复杂,成本高,生产周期长,不适宜大规模工业化生产的缺点。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是:纳米多孔铜的制备方法,是一种采用自由脱合金技术制备纳米多孔铜的方法,步骤是:
第一步,制备Cu-Hf-Al母合金铸锭
依据目标合金中各元素的原子百分比:Cu为50.00~55.00%、Hf为40.00~45.00%和其余为铝,计算所需原料的质量,称取质量百分比纯度为99.99%的铜片、质量百分比纯度为99.99%的铪粒以及质量百分比纯度为99.99%的铝块,并将称取的铜片、铪粒和铝块混合得到母合金原料;然后将该母合金原料置于真空电弧炉中,将7g纯锆独立放置于真空电弧炉中不与母合金接触,作为除氧材料,在氩气保护下进行熔炼,熔炼电流从30A逐渐升高到110A,重复熔炼3~4次,每次38~42秒,随炉冷却,制得Cu-Hf-Al母合金铸锭,其中铜的原子百分比为50.00~55.00%、铪的原子百分比为40.00~45.00%和其余为铝;
第二步,制备Cu-Hf-Al非晶合金条带
将第一步制得的Cu-Hf-Al母合金铸锭去除表层氧化皮,并采用熔炼-甩带设备制备Cu-Hf-Al非晶合金条带,甩带条件为:在9.0×10-4~8.0×10-4Pa真空度下,加热至800~900℃,使去除氧化皮的Cu-Hf-Al母合金铸锭熔融,然后将熔融的Cu-Hf-Al合金吹铸形成非晶合金条带,吹铸所需压力为0.8~1.0MPa;吹铸所需铜辊转速为40~50m/s,制得的Cu-Hf-Al非晶合金条带的长为60~300cm,宽为1.5~2mm,厚度为20~40μm;
第三步,用低浓度氢氟酸溶液进行去合金化处理制备纳米多孔金属铜条带
从第二步制得的Cu-Hf-Al非晶合金条带上截取30~40mm长的试样,在室温下置于腐蚀液中进行去合金化处理240~360s,从而制得具有随去合金化时间变化的纳米多孔结构的纳米多孔金属铜条带,所述腐蚀液为浓度为0.4M的HF;
第四步,纳米多孔金属铜条的后处理与保护
将第三步制得的纳米多孔金属铜条带先用去离子水清洗,再用无水乙醇清洗,共重复清洗3次,然后将清洁过的纳米多孔金属铜条带保存在真空度为1×10-1 MPa的真空室内备用。
上述纳米多孔铜的制备方法,所用的原材料和设备均通过公知的途径获得,所用的操作工艺是本技术领域的技术人员所能掌握的。
本发明的有益效果是:与现有技术相比,本发明的突出的实质性特点是,①由于本发明先采用电弧熔炼制备出Cu-Hf-Al合金锭,再利用单辊甩带机,将熔融的液态金属在高速旋转的铜辊上快速凝固,制备出Cu-Hf-Al非晶薄带,再在室温下选用低浓度的酸溶液对Cu-Hf-Al非晶合金薄带进行自由脱合金化腐蚀,因此能在短时间内制备出纳米多孔铜;②本发明以非晶合金薄带做为去合金化的先驱体材料可提高纳米多孔铜材料的结构均匀性;③本发明采用自由脱合金技术在短时间内制备出纳米多孔金属材料,大大降低了工艺的复杂性。
与现有技术相比,本发明具有以下显著优点:采用本发明方法制备纳米多孔铜,所需制备设备成本较低,制备工艺操作简单,周期短,适宜规模化生产。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为实施例1制得的Cu50Hf45Al5纳米多孔铜的显微组织扫描电镜照片。
图2为实施例1制得的Cu50Hf45Al5纳米多孔铜的扫描电镜照片中的能谱分析图。
图3为实施例2制得的Cu52.5Hf40Al7.5纳米多孔铜的显微组织扫描电镜照片。
图4为实施例2制得的Cu52.5Hf40Al7.5纳米多孔铜的扫描电镜照片中的能谱分析图。
图5为实施例3制得的Cu55Hf42.5Al2.5纳米多孔铜的显微组织扫描电镜照片。
图6为实施例3制得的Cu55Hf42.5Al2.5纳米多孔铜的扫描电镜照片中的能谱分析图。
具体实施方式
实施例1
第一步,制备Cu-Hf-Al母合金铸锭
依据目标合金中各元素的原子百分比:Cu为50.00%、Hf为45.00%和Al为5.00%,计算所需原料的质量,称取质量百分比纯度为99.99%的铜片158.87g、质量百分比纯度为99.99%的铪粒401.61g以及质量百分比纯度为99.99%的铝块6.75g,并将称取的铜片、铪粒和铝块混合得到母合金原料;然后将该母合金原料置于真空电弧炉中,将7g纯锆独立放置于真空电弧炉中不与母合金接触,作为除氧材料,在氩气保护下进行熔炼,熔炼电流从30A逐渐升高到110A,重复熔炼4次,每次38秒,以确保合金组织均匀性,随炉冷却,制得Cu-Hf-Al母合金铸锭,其中铜的原子百分比为50、铪的原子百分比为45和铝的原子百分比为5;
第二步,制备Cu-Hf-Al非晶合金条带
将第一步制得的Cu-Hf-Al母合金铸锭去除表层氧化皮,并采用熔炼-甩带设备制备Cu-Hf-Al非晶合金条带,甩带条件为:在8.5×10-4Pa真空度下,加热至850℃,使去除氧化皮的Cu-Hf-Al母合金铸锭熔融,然后将熔融的Cu-Hf-Al合金吹铸形成非晶合金条带,吹铸所需压力为0.8MPa;吹铸所需铜辊转速为45m/s,制得的Cu-Hf-Al非晶合金条带的长为180cm,宽为1.5mm,厚度为30μm;
第三步,用低浓度氢氟酸溶液进行去合金化处理制备纳米多孔金属铜条带
从第二步制得的Cu-Hf-Al非晶合金条带上截取35mm长的试样,在室温下置于腐蚀液中进行去合金化处理240s,从而制得合金化时间为240s的纳米多孔结构的纳米多孔金属铜条带,所述腐蚀液为浓度为0.4M的HF;
第四步,纳米多孔金属铜条的后处理与保护
将第三步制得的纳米多孔金属铜条带先用去离子水清洗,再用无水乙醇清洗,共重复清洗3次,然后将清洁过的纳米多孔金属铜条带保存在真空度为1×10-1 MPa的真空室内备用。
实施例2
第一步,制备Cu-Hf-Al母合金铸锭
依据目标合金中各元素的原子百分比:Cu为52.50%、Hf为40.00%和Al为7.5%,计算所需原料的质量,称取质量百分比纯度为99.99%的铜片166.81g、质量百分比纯度为99.99%的铪粒356.98g以及质量百分比纯度为99.99%的铝块10.13g,并将称取的铜片、铪粒和铝块混合得到母合金原料;然后将该母合金原料置于真空电弧炉中,将7g纯锆独立放置于真空电弧炉中不与母合金接触,作为除氧材料,在氩气保护下进行熔炼,熔炼电流从30A逐渐升高到110A,重复熔炼4次,每次40秒,以确保合金组织均匀性,随炉冷却,制得Cu-Hf-Al母合金铸锭,其中铜的原子百分比为52.5、铪的原子百分比为40和铝的原子百分比为7.5;
第二步,制备Cu-Hf-Al非晶合金条带
将第一步制得的Cu-Hf-Al母合金铸锭去除表层氧化皮,并采用熔炼-甩带设备制备Cu-Hf-Al非晶合金条带,甩带条件为:在9.0×10-4Pa真空度下,加热至800℃,使去除氧化皮的Cu-Hf-Al母合金铸锭熔融,然后将熔融的Cu-Hf-Al合金吹铸形成非晶合金条带,吹铸所需压力为0.9MPa;吹铸所需铜辊转速为40m/s,制得的Cu-Hf-Al非晶合金条带的长为60cm,宽为1.8mm,厚度为20μm;
第三步,用低浓度氢氟酸溶液进行去合金化处理制备纳米多孔金属铜条带
从第二步制得的Cu-Hf-Al非晶合金条带上截取30mm长的试样,在室温下置于腐蚀液中进行去合金化处理300s,从而制得去合金化时间300s的纳米多孔结构的纳米多孔金属铜条带,所述腐蚀液为浓度为0.4M的HF;
第四步,纳米多孔金属铜条的后处理与保护
将第三步制得的纳米多孔金属铜条带先用去离子水清洗,再用无水乙醇清洗,共重复清洗3次,然后将清洁过的纳米多孔金属铜条带保存在真空度为1×10-1 MPa的真空室内备用。
实施例3
第一步,制备Cu-Hf-Al母合金铸锭
依据目标合金中各元素的原子百分比:Cu为55.00%、Hf为42.50%和Al为2.5%,计算所需原料的质量,称取质量百分比纯度为99.99%的铜片174.75g、质量百分比纯度为99.99%的铪粒379.29g以及质量百分比纯度为99.99%的铝块3.38g,并将称取的铜片、铪粒和铝块混合得到母合金原料;然后将该母合金原料置于真空电弧炉中,将7g纯锆独立放置于真空电弧炉中不与母合金接触,作为除氧材料,在氩气保护下进行熔炼,熔炼电流从30A逐渐升高到110A,重复熔炼3次,每次42秒,以确保合金组织均匀性,随炉冷却,制得Cu-Hf-Al母合金铸锭,其中铜的原子百分比为55,铪的原子百分比为42.5,铝的原子百分比为2.5;
第二步,制备Cu-Hf-Al非晶合金条带
将第一步制得的Cu-Hf-Al母合金铸锭去除表层氧化皮,并采用熔炼-甩带设备制备Cu-Hf-Al非晶合金条带,甩带条件为:在8.0×10-4Pa真空度下,加热至900℃,使去除氧化皮的Cu-Hf-Al母合金铸锭熔融,然后将熔融的Cu-Hf-Al合金吹铸形成非晶合金条带,吹铸所需压力为1.0MPa;吹铸所需铜辊转速为50m/s,制得的Cu-Hf-Al非晶合金条带的长为300cm,宽为2mm,厚度为40μm;
第三步,用低浓度氢氟酸溶液进行去合金化处理制备纳米多孔金属铜条带
从第二步制得的Cu-Hf-Al非晶合金条带上截取40mm长的试样,在室温下置于腐蚀液中进行去合金化处理360s,从而制得具有去合金化时间360s的纳米多孔结构的纳米多孔金属铜条带,所述腐蚀液为浓度为0.4M的HF;
第四步,纳米多孔金属铜条的后处理与保护
将第三步制得的纳米多孔金属铜条带先用去离子水清洗,再用无水乙醇清洗,共重复清洗3次,然后将清洁过的纳米多孔金属铜条带保存在真空度为1×10-1 MPa的真空室内备用。
上述实施例中所用的原材料和设备均通过公知的途径获得,所用的操作工艺是本技术领域的技术人员所能掌握的。
Claims (1)
1.纳米多孔铜的制备方法,其特征在于:是一种采用自由脱合金技术制备纳米多孔铜的方法,步骤是:
第一步,制备Cu-Hf-Al母合金铸锭
依据目标合金中各元素的原子百分比:Cu为50.00~55.00%、Hf为40.00~45.00%和其余为铝,计算所需原料的质量,称取质量百分比纯度为99.99%的铜片、质量百分比纯度为99.99%的铪粒以及质量百分比纯度为99.99%的铝块,并将称取的铜片、铪粒和铝块混合得到母合金原料;然后将该母合金原料置于真空电弧炉中,将7g纯锆独立放置于真空电弧炉中不与母合金接触,作为除氧材料,在氩气保护下进行熔炼,熔炼电流从30A逐渐升高到110A,重复熔炼3~4次,每次38~42秒,随炉冷却,制得Cu-Hf-Al母合金铸锭,其中铜的原子百分比为50.00~55.00%、铪的原子百分比为40.00~45.00%和其余为铝;
第二步,制备Cu-Hf-Al非晶合金条带
将第一步制得的Cu-Hf-Al母合金铸锭去除表层氧化皮,并采用熔炼-甩带设备制备Cu-Hf-Al非晶合金条带,甩带条件为:在9.0×10-4~8.0×10-4Pa真空度下,加热至800~900℃,使去除氧化皮的Cu-Hf-Al母合金铸锭熔融,然后将熔融的Cu-Hf-Al合金吹铸形成非晶合金条带,吹铸所需压力为0.8~1.0MPa;吹铸所需铜辊转速为40~50m/s,制得的Cu-Hf-Al非晶合金条带的长为60~300cm,宽为1.5~2mm,厚度为20~40μm;
第三步,用低浓度氢氟酸溶液进行去合金化处理制备纳米多孔金属铜条带
从第二步制得的Cu-Hf-Al非晶合金条带上截取30~40mm长的试样,在室温下置于腐蚀液中进行去合金化处理240~360s,从而制得具有随去合金化时间变化的纳米多孔结构的纳米多孔金属铜条带,所述腐蚀液为浓度为0.4M的HF;
第四步,纳米多孔金属铜条的后处理与保护
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