CN103085395A

CN103085395A - 一种Cu-Ti2 AlC功能梯度材料及其制备方法

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Publication number: CN103085395A
Application number: CN2012105695614A
Authority: CN
Inventors: 陈艳林; 曾成文; 严明; 熊焰; 李宗育
Original assignee: Hubei University of Technology
Current assignee: Hubei University of Technology
Priority date: 2012-12-25
Filing date: 2012-12-25
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2032-12-25
Also published as: CN103085395B

Abstract

本发明涉及一种Cu-Ti₂AlC功能梯度材料的制备方法，其特征在于所制备的梯度材料一侧为纯Cu或主要成分为Cu的复合材料，另一侧为纯Ti₂AlC或主要成分为Ti₂AlC的复合材料，中间层数为1~4层，随厚度方向，Cu与Ti₂AlC的含量呈梯度变化，并伴随性能逐渐变化。沿富Cu方向到富Ti₂AlC方向，材料硬度、强度显著提高，抗氧化以及抗高温性能提高，耐磨损性能以及弹性模量都逐渐提高；沿富Ti₂AlC方向到富Cu方向，韧性、导电率、导热率都得到显著提高。材料对于满足不同接触面具备不同使用性能的特殊环境具有重要意义。该材料是通过以Cu与Ti₂AlC粉末为原料，均匀混合后通过分层装料后在一定气氛下采用热压烧结制备。烧结温度为800~1000℃，升温速率为8~20℃/min，压力为20~40MPa，保温0.5~3小时。本发明采用热压烧结法，所制备的梯度材料致密度高，性能优异，具有良好的产业化前景。

Description

一种Cu-Ti2 AlC功能梯度材料及其制备方法

技术领域

本发明属于梯度复合材料制备技术领域，具体而言，涉及一种利用真空热压技术来制备致密金属/陶瓷功能梯度材料的方法，尤其涉及一种Cu-Ti2AlC功能梯度材料及其制备方法。

技术背景

目前，工业上常用的导电功能材料有银基复合材料，但银金属作为一种昂贵的稀有金属，消耗量逐年增加，据2011年美国GFMS为世界白银协会编制的报告中指出，仅电气和电子行业对白银的需求就有7555.21吨。所以，减少银金属的消耗是一项很重要的任务，由于Cu的高导电性，业界一般寻求以Cu作为Ag的代替。铜作为一种导电、导热功能材料被广泛应用于各行业，但铜的强度、硬度较低，耐热性、耐磨性差，高温下易氧化和软化变形，而随着科学技术的不断发展，对Cu金属材料的要求也越来越高，希望Cu既具有高导电、导热性和低温延展性，又具有高强度、耐高温氧化性能以及良好的耐磨损性能。纯铜及铜合金在高导电率和高强度方面难以兼顾，也难以满足更高的性能要求，如受电弓滑板，作为动车组与电力网之间能源联系的关键性电接触部件，其特定的工作状态要求它能够在与电力网接触导线作弧形高速接触摩擦运动中保持向牵引电机传输150—200A的稳定电流。同时由于承受与接触导线的滑动摩擦、电接触热应力和机械接触应力，特别是运行过程中不可避免的受电弓瞬间离线而引起的25KV超高压电弧灼蚀，及雨雪霜露等水分环境的腐蚀，受电弓滑板与接触导线的滑动磨损加剧，瞬时离线次数增加，电弧灼蚀和接触热应力造成的损伤也变得更加严重。在如此严酷的力、磨、电、蚀共同作用下，要求受电弓滑板材料具有优良的导电性、抗摩擦性、抗腐蚀性、抗冲击韧性和较长的工作寿命^[1]，而Cu基功能梯度材料的出现，使得这个问题得到一定解决。

功能梯度材料作为一种新型的功能材料，其最初概念是在20世纪80年代由日本学者渡边龙三、新野正之等为解决航天飞行器中过大温差而引起的热应力问题而提出的。航空发动机在高温情况下由于其内外热膨胀系数的不同会在界面处产生内应力，引起剥离，而金属／陶瓷梯度材料由于其成分随厚度连续变化，所以相邻层之间性能相似，不存在明显界面，其性能呈连续变化，热应力得到很大缓和。当使用条件下的两侧具有不同的温度时，均质复合材料由于两侧温度的不同会造成温度较高的一面膨胀较大，而温度较低的一面膨胀较小，这样会由于膨胀的差异造成较大热应力，随着工作的时间延长或次数的增加，形成热应力疲劳，可能会导致裂纹的形成，从而使材料失效。为解决这种情况，通常的做法是是用镀膜或非均质复合材料，但这样同样会由于两种成分物理化学等性能的不同而造成结合力上的缺陷，当材料工作一段时间后，镀膜与基体及两种材料结合面可能会最先失效，影响材料的整体性能。而梯度材料即解决了由于内外温差而造成的热应力问题又解决了由于润湿性、结构等造成的材料结合问题。制备功能梯度材料的方法较多，如放电等离子烧结、热压烧结、电沉积、气相沉积和自蔓延高温合成法等。如今，功能梯度材料的应用也不再局限于航空航天等方面，已在生物医药、机械化工、核物理、光学电子等方面的有了很大发展。

目前，Cu基功能梯度材料主要以Cu和另一种金属材料制成，如Cu-Mo、Cu-W系列功能梯度材料等。通过引入适当的增强相复合强化方式合成的Cu基复合材料作为基体，将两种不同的材料通过叠层烧结得到功能梯度材料，使得材料既具备高的机械强度和良好的韧性，又具有良好的摩擦学性能和导电性，作为电力机车从接触网线导入电能的滑板材料具有很好的应用背景^[2,3]。Ti₂AlC作为一种新型的可加工三元层状陶瓷，兼具金属和陶瓷的特点，为六方晶系，具有层状结构，理论密度4.1l g/cm³，热膨胀系数为8.3×10^-6，综合了金属和陶瓷的优异性能，它既具有陶瓷的特性，包括高熔点、高强度、高耐腐蚀性和抗氧化性，同时有具有金属的一部分特性，具有良好的导电性，一定的导热性和可加工性，同时由于它的层状结构，其还具有自润滑性^[4,5]。本发明是将Cu与Ti₂AlC这两种材料通过热压烧结制备成功能梯度复合材料，使其综合金属材料和陶瓷材料各自的优异性能，克服铜的耐腐蚀、耐高温性能差，抗烧蚀性差，Ti₂AlC陶瓷材料的脆性和可靠性差等缺点，兼具Ti₂AlC高的热稳定性、良好的抗氧化性、自润滑性以及高熔点和Cu的高导电、导热和高韧性。同时，由于作为功能梯度材料，这两种材料之间的结合面呈逐渐过渡，面与面之间的成分变化较小，有效降低了两侧之间的热应力大大减小，减小了材料在使用过程中由于热应力不匹配而造成裂纹产生的几率，延长了材料使用寿命。

目前，现有技术还没有将Cu与Ti₂AlC这两种材料通过热压烧结制备成功能梯度复合材料的文献报道。

发明内容

通过研究本发明人意外地发现，将Cu与Ti₂AlC通过热压烧结制备成梯度复合材料后，该复合材料不仅有利于缓和热应力导致的裂纹及裂纹导致的扩展，且制备的材料结构致密，缺陷少，层与层之间结合良好，没有明显的界面，即能保证具有良好的使用性能，又满足材料的结构要求。因此，本发明的目的在于提供一种使用寿命较长的Cu-Ti₂AlC功能梯度材料及其制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种Cu-Ti₂AlC功能梯度材料，以Cu和Ti₂AlC为原料配制成梯度分布层后烧结而成，沿所述梯度分布层的厚度方向，Ti₂AlC原料的体积分数由0~5%逐渐增加到60~100%。

一种所述Cu-Ti₂AlC功能梯度材料的制备方法，以Cu粉末和Ti₂AlC粉末为原料，按比例分别称取后通过机械球磨混合均匀，逐层装入石墨磨具中形成梯度分布层，在真空或Ar气氛下，采用热压烧结而成，烧结温度为800~1000℃，升温速率为8~20℃/min，压力为20~40MPa，保温0.5~3h。

上述Cu- Ti₂AlC功能梯度材料的制备方法，其中所述Ti₂AlC粉末的粒度为3~20微米，Cu粉末的粒度范围为325目~600目。

上述Cu- Ti₂AlC功能梯度材料的制备方法，其中所述的机械球磨混合是在酒精介质中进行，时间为4~12h。

与现有技术相比，本发明涉及的Cu-Ti₂AlC功能梯度材料及其制备方法具有如下优点和显著的进步：

（1）本发明制备的Cu-Ti₂AlC功能梯度材料一端为纯Cu或Ti₂AlC/Cu复合材料，具有优异的抗热震性、导电、导热性、韧性，另一端为Ti₂AlC/Cu复合材料或纯Ti₂AlC，具有很高的熔点、强度以及抗磨损性能和抗氧化性能，克服了铜的不耐腐蚀、不耐高温，抗烧蚀性差的问题，同时避免了Ti₂AlC陶瓷材料的脆性和可靠性差等缺点。

（2）本发明制备的Cu-Ti₂AlC功能梯度材料，沿厚度方向材料硬度、强度等各方面性能都呈梯度变化，面与面之间的成分变化较小，有效降低了两侧之间的热应力大大减小，减小了材料在使用过程中由于热应力不匹配而造成裂纹产生的几率，延长了材料使用寿命。

附图说明

图1为实施例1制备的Cu-Ti₂AlC功能梯度材料中的各梯度层硬度曲线图。

图2为实施例1制备的Cu-Ti₂AlC功能梯度材料中各梯度层导电率曲线图。

图3为实施例2制备的Cu-Ti₂AlC功能梯度材料中的富Ti₂AlC层摩擦系数随时间的变化曲线图。

具体实施方式

本发明制备的材料一端为纯Cu或Ti₂AlC/Cu复合材料，具有优异的抗热震性、导电、导热性、韧性。另一端为Ti₂AlC/Cu复合材料或纯Ti₂AlC，具有很高的熔点、强度以及抗磨损性能和抗氧化性能。

本发明的关键在于中间为1~4层，沿厚度方向材料硬度、强度等各方面性能都呈梯度变化，各层之间结合良好，没有明显界面，显著降低热应力以及出现层间断裂的可能性。制备方法是以Cu与Ti₂AlC为原料，均匀混合后采用热压烧结法叠层压制烧结。烧结温度控制在800~1000℃，升温速率为8~20℃/min，压力为20~40MPa，保温时间为0.5~3小时。本发明所制备的梯度材料致密度高，性能优异，能够满足不同环境的使用要求。

本发明的优点在于组分、结构呈梯度变化，不但有利于缓和热应力导致的裂纹及裂纹导致的扩展，且制备的材料结构致密，缺陷少，层与层之间结合良好，没有明显的界面，即能保证具有良好的使用性能，又满足材料的结构要求。

以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案做进一步作描述，但是本发明的保护范围并不限于这些实施例。凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在本发明的保护范围之内。

实施例1

以4层梯度变化为例，Cu和Ti₂AlC的总体积按100%计算，梯度分布层中Cu和Ti₂AlC的体积分数如表1：

表1 梯度分布层中Cu和Ti₂AlC的体积百分含量

原料	第1层	第2层	第3层	第4层
					Cu	100%	80%	60%	40%
Ti₂AlC	0	20%	40%	60%

按比例分别称取Cu和Ti₂AlC粉末后进行配料，用酒精为介质球磨4h以混合均匀，逐层装入石墨磨具中形成梯度分布层，在真空环境下进行热压烧结。升温速度为8℃/min，烧结温度为850℃，压力为30MPa，保温1.5小时。所获得烧结体相对密度为97%，电阻率小于2.0*10^-7Ω·m，显微硬度的变化从富Cu层到富Ti₂AlC层方向为71~233kgf/mm^-3，摩擦系数随Ti₂AlC含量增加大大减小，富Ti₂AlC层的摩擦系数在0.19以下。

实施例2

以4层梯度变化为例，Cu和Ti₂AlC的总体积按100%计算，梯度分布层中Cu和Ti₂AlC的体积分数如表2：

表2 梯度分布层中Cu和Ti₂AlC的体积百分含量

原料	第1层	第2层	第3层	第4层
					Cu	97%	70%	50%	30%
Ti₂AlC	3%	30%	50%	70%

按比例分别称取Cu和Ti₂AlC粉末后进行配料，用酒精为介质球磨6h以混合均匀，逐层装入石墨磨具中形成梯度分布层，在Ar气氛下进行热压烧结。升温速度为10℃/min，烧结温度为930℃，压力为35MPa，保温2小时。所获得烧结体相对密度大于98%，电阻率小于1.7*10^-7Ω·m，显微硬度的变化从富Cu层到富Ti₂AlC层方向逐渐增大，在95 kgf/mm^-3到360kgf/mm^-3区间变化，摩擦系数随Ti₂AlC含量增加大大减小，富Ti₂AlC层的摩擦系数在0.15以下。

实施例3

以5层梯度变化为例，Cu和Ti₂AlC的总体积按100%计算，梯度分布层中Cu和Ti₂AlC的体积分数如表3：

表3 梯度分布层中Cu和Ti₂AlC的体积百分含量

原料	第1层	第2层	第3层	第4层	第5层
						Cu	95%	80%	60%	40%	20%
Ti₂AlC	5%	20%	40%	60%	80%

按比例分别称取Cu和Ti₂AlC粉末后进行配料，用酒精为介质球磨8h以混合均匀，逐层装入石墨磨具中形成梯度分布层，在真空环境下进行热压烧结。升温速度为10℃/min，烧结温度为950℃，压力为40MPa，保温2小时。所获得烧结体相对密度达到98%以上，电阻率小于1.6*10^-7Ω·m，显微硬度的变化从富Cu层到富Ti₂AlC层方向在104~430kgf/mm^-3区间变化，摩擦系数随Ti₂AlC含量增加大大减小，富Ti₂AlC层的摩擦系数在0.14以下。

实施例4

梯度层以5层为例，配比为Cu-0.03Ti₂AlC/0.7Cu-0.3Ti2AlC/0.5Cu-0.5Ti₂AlC/0.3Cu-0.7Ti2AlC/Ti₂AlC。按此配比进行设计，将粉末分别进行配料，用酒精为介质球磨4h以混合均匀，放入石墨磨具中，

以5层梯度变化为例，Cu和Ti₂AlC的总体积按100%计算，梯度分布层中Cu和Ti₂AlC的体积分数如表4：

表4 梯度分布层中Cu和Ti₂AlC的体积百分含量

原料	第1层	第2层	第3层	第4层	第5层
						Cu	97%	70%	50%	30%	0
Ti₂AlC	3%	30%	50%	70%	100%

按比例分别称取Cu和Ti₂AlC粉末后进行配料，用酒精为介质球磨4h以混合均匀，逐层装入石墨磨具中形成梯度分布层，在真空环境下进行热压烧结。升温速度为9℃/min，烧结温度为980℃，压力为30MPa，保温1小时。所获得烧结体相对密度达到96%，电阻率为1.8*10^-7Ω·m，显微硬度的变化从富Cu层到富Ti₂AlC层方向从96 kgf/mm^-3到460kgf/mm^-3逐渐变化，摩擦系数随Ti₂AlC含量增加大大减小，Ti₂AlC层的摩擦系数在0.12以下。

Claims

1.一种Cu-Ti₂AlC功能梯度材料，其特征在于：以Cu和Ti₂AlC为原料配制成梯度分布层后烧结而成，沿所述梯度分布层的厚度方向，Ti₂AlC原料的体积分数由0~5%逐渐增加到60~100%。

2.根据权利要求1所述Cu-Ti₂AlC功能梯度材料的制备方法，其特征在于：以Cu粉末和Ti₂AlC粉末为原料，按比例分别称取后通过机械球磨混合均匀，逐层装入石墨磨具中形成梯度分布层，在真空或Ar气氛下，采用热压烧结而成，烧结温度为800~1000℃，升温速率为8~20℃/min，压力为20~40MPa，保温0.5~3h。

3.根据权利要求2所述Cu- Ti₂AlC功能梯度材料的制备方法，其特征在于：所述Ti₂AlC粉末的粒度为3~20微米，Cu粉末的粒度范围为325目~600目。

4.根据权利要求2所述Cu- Ti₂AlC功能梯度材料的制备方法，其特征在于：所述机械球磨混合在酒精介质中进行，时间为4~12h。