CN103128310A - 钨-铜复合粉末的制备方法 - Google Patents

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孙钦星
刘瑞
郝汀
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Abstract

本发明公开了一种钨-铜复合粉末的制备方法。它先将水、硝酸铜、酒石酸、仲钨酸铵和柠檬酸按照摩尔比为440～460∶0.9～1.1∶2∶0.067～0.261∶1.620～6.264的比例混合后，于50～60℃下搅拌至少5h，得到混合液，再向混合液中加入聚乙二醇，并于60～70℃下搅拌至其形成凝胶，其中，聚乙二醇与混合液中的硝酸铜之间的摩尔比为0.0022～0.0026∶0.9～1.1，之后，先将凝胶置于100～120℃下干燥至少12h，得到干凝胶，再将干凝胶依次置于290～310℃下3.5～4.5h、540～560℃下4.5～5.5h，得到中间产物，接着，将中间产物置于还原气体气氛中，于760～800℃下还原至少3h，制得颗粒状钨-铜复合粉末，其中，钨和铜之间的重量百分比为70～90wt％∶10～30wt％，两者的粒径均为100nm～1μm。它可用作核聚变面对等离子体材料。

Description

钨-铜复合粉末的制备方法
技术领域
本发明涉及一种粉末的制备方法，尤其是一种钨-铜复合粉末的制备方法。
背景技术
钨铜功能复合材料兼有钨的高熔点、低热膨胀系数、低溅射率和铜的高电导热导率等优异综合性能，被认为是最有前景的核聚变面对等离子体材料。近期，人们为了获得它，做出了不懈的努力，如在“W-20wt％Cu超细复合粉末的制备与烧结(纳米加工工艺，第4卷，第5期，2007年10月，范景莲等)一文第36～38页公开了一种钨铜复合粉末的制备方法。文中提及的制备方法采用喷雾干燥-氢气还原法；获得的复合粉末由钨和铜组成，其多为大小均匀的多边形颗粒，颗粒的尺寸约为200纳米左右。然而，无论是制备方法，还是获得的钨铜复合粉末，都存在着欠缺之处，首先，制备方法既需喷雾干燥，又需氢气还原，使制备成本难以降低；其次，获得的钨铜复合粉末由Cu0.4W0.6相和Cu相组成，而不是W、Cu两种相的均匀分布，由于钨铜复合粉末中Cu0.4W0.6相的存在而使其烧结性能欠佳，这可由Cu0.4W0.6相原始晶粒的尺寸仅为33nm，烧结成块体后W的颗粒大小已接近0.8μm而得到证实。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的欠缺之处，提供一种工艺简捷、制得的粉末仅由W相、Cu相组成的钨-铜复合粉末的制备方法。
为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：钨-铜复合粉末的制备方法包括溶胶-凝胶法，特别是完成步骤如下：
步骤1，先将水、硝酸铜(Cu(NO3)3·3H2O)、酒石酸(C4H6O6)、仲钨酸铵(H42N10O42W12)和柠檬酸(C6H8O7)按照摩尔比为440～460∶0.9～1.1∶2∶0.067～0.261∶1.620～6.264的比例混合后，于50～60℃下搅拌至少5h，得到混合液，再向混合液中加入聚乙二醇，并于60～70℃下搅拌至其形成凝胶，其中，聚乙二醇与混合液中的硝酸铜的摩尔比为0.0022～0.0026∶0.9～1.1；
步骤2，先将凝胶置于100～120℃下干燥至少12h，得到干凝胶，再将干凝胶依次置于290～310℃下3.5～4.5h、540～560℃下4.5～5.5h，得到中间产物，接着，将中间产物置于还原气体气氛中，于760～800℃下还原至少3h，制得钨-铜复合粉末；
所述钨-铜复合粉末为颗粒状，其由钨和铜组成，所述钨和铜之间的重量百分比为70～90wt％∶10～30wt％，其中，钨颗粒的粒径为100nm～1μm，铜颗粒的粒径为100nm～1μm。
作为钨-铜复合粉末的制备方法的进一步改进，所述的水为去离子水，或蒸馏水；所述的聚乙二醇为聚乙二醇20000；所述的还原气体为氢气，或氢气和氩气的混合气体，或氢气和氦气的混合气体。。
相对于现有技术的有益效果是，其一，对制得的目标产物分别使用扫描电镜、X射线衍射仪和扫描电镜附带的能谱(EDS)测试部件进行表征，由其结果可知，目标产物为颗粒状，其由W相、Cu相组成；其中，钨和铜之间的重量百分比为70～90wt％∶10～30wt％，钨颗粒的粒径为100nm～1μm，铜颗粒的粒径为100nm～1μm。其二，制备方法科学、有效，酒石酸、柠檬酸和聚乙二醇的使用，以及干燥的方法、煅烧的温度和时间、还原的温度和时间的设定，使其既不需喷雾干燥的工艺过程，又制得了仅由W相、Cu相组成的目标产物，并由此而使其的烧结稳定性能更好，烧结后的W颗粒基本不长大，保持了初始的大小，团聚的程度也非常的低。
作为有益效果的进一步体现，一是水优选为去离子水或蒸馏水，避免了杂质的引入。二是聚乙二醇优选为聚乙二醇20000，更易于凝胶的形成。三是还原气体优选为氢气，或氢气和氩气的混合气体，或氢气和氦气的混合气体，不仅使得原料的来源较为丰富，还使制备工艺更易实施且灵活。
附图说明
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
图1是对制得的目标产物使用扫描电镜(SEM)进行表征的结果之一。其中，图1a为目标产物中钨和铜的配比为W-10wt％Cu时的SEM照片，图1b为目标产物中钨和铜的配比为W-15wt％Cu时的SEM照片，图1c为目标产物中钨和铜的配比为W-30wt％Cu时的SEM照片。
图2是对制得的目标产物使用X射线衍射(XRD)仪进行表征的结果之一。XRD谱图中的三条曲线分别为目标产物中钨和铜的配比为W-10wt％Cu、W-15wt％Cu和W-30wt％Cu时的XRD谱线。
图3是将钨和铜的配比为W-15wt％Cu的目标产物置于1200℃下烧结后，对其使用扫描电镜进行表征的结果之一。由SEM照片可知，虽经烧结，W颗粒基本未长大，保持了初始的大小，其团聚的程度也非常的低。
图4是对钨和铜的配比为W-15wt％Cu的目标产物使用扫描电镜附带的能谱(EDS)测试部件进行表征的结果之一。由EDS照片可看出，W、Cu元素均呈现出均匀的分布状态。
具体实施方式
首先从市场购得或用常规方法制得：
作为水的去离子水和蒸馏水；硝酸铜；酒石酸；仲钨酸铵；柠檬酸；作为聚乙二醇的聚乙二醇20000；作为还原气体的氢气、氢气和氩气的混合气体、氢气和氦气的混合气体。
接着，
实施例1
制备的具体步骤为：
步骤1，先将水、硝酸铜、酒石酸、仲钨酸铵和柠檬酸按照摩尔比为440∶0.9∶2∶0.067∶1.620的比例混合后，于50℃下搅拌7h；其中，水为去离子水，得到混合液。再向混合液中加入聚乙二醇，并于60℃下搅拌至其形成凝胶；其中，聚乙二醇与混合液中的硝酸铜的摩尔比为0.0022∶0.9，聚乙二醇为聚乙二醇20000。
步骤2，先将凝胶置于100℃下干燥16h，得到干凝胶，再将干凝胶依次置于290℃下4.5h、540℃下5.5h，得到中间产物。接着，将中间产物置于还原气体气氛中，于760℃下还原5h；其中，还原气体为氢气，制得如图1c、近似于图3和图4所示，以及如图2中的曲线所示的钨-铜复合粉末。
实施例2
制备的具体步骤为：
步骤1，先将水、硝酸铜、酒石酸、仲钨酸铵和柠檬酸按照摩尔比为445∶0.95∶2∶0.115∶2.781的比例混合后，于53℃下搅拌6.5h；其中，水为去离子水，得到混合液。再向混合液中加入聚乙二醇，并于63℃下搅拌至其形成凝胶；其中，聚乙二醇与混合液中的硝酸铜的摩尔比为0.0023∶0.95，聚乙二醇为聚乙二醇20000。
步骤2，先将凝胶置于105℃下干燥15h，得到干凝胶，再将干凝胶依次置于295℃下4.3h、545℃下5.3h，得到中间产物。接着，将中间产物置于还原气体气氛中，于770℃下还原4.5h；其中，还原气体为氢气，制得近似于图1b、图3和图4所示，以及如图2中的曲线所示的钨-铜复合粉末。
实施例3
制备的具体步骤为：
步骤1，先将水、硝酸铜、酒石酸、仲钨酸铵和柠檬酸按照摩尔比为450∶1∶2∶0.164∶3.942的比例混合后，于55℃下搅拌6h；其中，水为去离子水，得到混合液。再向混合液中加入聚乙二醇，并于65℃下搅拌至其形成凝胶；其中，聚乙二醇与混合液中的硝酸铜的摩尔比为0.0024∶1，聚乙二醇为聚乙二醇20000。
步骤2，先将凝胶置于110℃下干燥14h，得到干凝胶，再将干凝胶依次置于300℃下4h、550℃下5h，得到中间产物。接着，将中间产物置于还原气体气氛中，于780℃下还原4h；其中，还原气体为氢气，制得如图1b、图3和图4所示，以及如图2中的曲线所示的钨-铜复合粉末。
实施例4
制备的具体步骤为：
步骤1，先将水、硝酸铜、酒石酸、仲钨酸铵和柠檬酸按照摩尔比为455∶1.05∶2∶0.212∶5.103的比例混合后，于58℃下搅拌5.5h；其中，水为去离子水，得到混合液。再向混合液中加入聚乙二醇，并于68℃下搅拌至其形成凝胶；其中，聚乙二醇与混合液中的硝酸铜的摩尔比为0.0025∶1.05，聚乙二醇为聚乙二醇20000。
步骤2，先将凝胶置于115℃下干燥13h，得到干凝胶，再将干凝胶依次置于305℃下3.8h、555℃下4.8h，得到中间产物。接着，将中间产物置于还原气体气氛中，于790℃下还原3.5h；其中，还原气体为氢气，制得近似于图1、图3和图4所示，以及如图2中的曲线所示的钨-铜复合粉末。
实施例5
制备的具体步骤为：
步骤1，先将水、硝酸铜、酒石酸、仲钨酸铵和柠檬酸按照摩尔比为460∶1.1∶2∶0.261∶6.264的比例混合后，于60℃下搅拌5h；其中，水为去离子水，得到混合液。再向混合液中加入聚乙二醇，并于70℃下搅拌至其形成凝胶；其中，聚乙二醇与混合液中的硝酸铜的摩尔比为0.0026∶1.1，聚乙二醇为聚乙二醇20000。
步骤2，先将凝胶置于120℃下干燥12h，得到干凝胶，再将干凝胶依次置于310℃下3.5h、560℃下4.5h，得到中间产物。接着，将中间产物置于还原气体气氛中，于800℃下还原3h；其中，还原气体为氢气，制得如图1a、近似于图3和图4所示，以及如图2中的曲线所示的钨-铜复合粉末。
再分别选用作为水的去离子水或蒸馏水，作为还原气体的氢气，或氢气和氩气的混合气体，或氢气和氦气的混合气体，重复上述实施例1～5，同样制得了如或近似于图1、图3和图4所示，以及如图2中的曲线所示的钨-铜复合粉末。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的钨-铜复合粉末的制备方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种钨-铜复合粉末的制备方法，包括溶胶-凝胶法，其特征在于完成步骤如下：
步骤1，先将水、硝酸铜、酒石酸、仲钨酸铵和柠檬酸按照摩尔比为440～460∶0.9～1.1∶2∶0.067～0.261∶1.620～6.264的比例混合后，于50～60℃下搅拌至少5h，得到混合液，再向混合液中加入聚乙二醇，并于60～70℃下搅拌至其形成凝胶，其中，聚乙二醇与混合液中的硝酸铜的摩尔比为0.0022～0.0026∶0.9～1.1；
步骤2，先将凝胶置于100～120℃下干燥至少12h，得到干凝胶，再将干凝胶依次置于290～310℃下3.5～4.5h、540～560℃下4.5～5.5h，得到中间产物，接着，将中间产物置于还原气体气氛中，于760～800℃下还原至少3h，制得钨-铜复合粉末；
所述钨-铜复合粉末为颗粒状，其由钨和铜组成，所述钨和铜之间的重量百分比为70～90wt％∶10～30wt％，其中，钨颗粒的粒径为100nm～1μm，铜颗粒的粒径为100nm～1μm。
2.根据权利要求1所述的钨-铜复合粉末的制备方法，其特征是水为去离子水，或蒸馏水。
3.根据权利要求1所述的钨-铜复合粉末的制备方法，其特征是聚乙二醇为聚乙二醇20000。
4.根据权利要求1所述的钨-铜复合粉末的制备方法，其特征是还原气体为氢气，或氢气和氩气的混合气体，或氢气和氦气的混合气体。
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