CN103302294B - 一种粉末冶金法制备纳米Cu@SiC/Cu基复合材料的方法 - Google Patents
一种粉末冶金法制备纳米Cu@SiC/Cu基复合材料的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种粉末冶金法制备纳米CuSiC/Cu基复合材料的方法。将纳米CuSiC粉末、镍粉和铜粉按比例置于压力成型机中模压成形，得到压坯预制件，将压坯预制件置于石墨坩埚中，粉末烧结反应在氮气保护的箱式气氛炉内进行，并在700～1000℃温度下保温4～6小时，随炉冷却后得到纳米CuSiC/Cu基复合材料。采用表面化学镀铜和添加镍粉的方法减少了纳米SiC粉末和铜基体之间的界面反应，提高了纳米SiC和铜基体的润湿性能，由于粉末冶金工艺在材料生产过程中并不熔化材料，不会混入由坩埚带来的杂质，不会给材料任何污染，本发明制备的复合材料具有高强度、高致密等优点，且原料成本低廉，工艺简单易控。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料的制备方法，尤其涉及一种粉末冶金法制备纳米CuSiC/Cu基复合材料的方法。
背景技术
铜基复合材料是发展新型高强高导和高耐磨合金的重要方向之一，其中颗粒增强铜基复合材料由于其具有更高的比强度和较好的高温强度而备受重视。碳化硅纳米材料具有密度小、热膨胀系数低、高热导率、高的力学性能和机械强度、耐高温、化学稳定性好、等优异的性能，而且其体积模量大, 能够有效抑制基体的膨胀。利用SiC纳米材料增强Cu基体，通过控制SiC的体积分数及颗粒尺寸可以实现SiC/Cu基复合材料热物理性能的设计，能综合Cu和SiC的优点, 获得具有密度较低、热导率高、热膨胀系数低、高致密以及优良的耐磨性能等优点的高体积分数( 50%~70%) SiC/Cu基复合材料。由于碳化硅与铜基体界面的物理、化学相容性较差，界面润湿情况不佳，当采用铸造或粉末冶金等方法直接将SiC加入基体中，在碳化硅与金属基体之间会发生严重的界面反应，导致增强体降解、在界面处生成脆性相和改变基体的微结构，以致材料制造失败或达不到应有的效果。为解决此问题，张锐等采用放电等离子体烧结工艺制备了SiC/Cu金属陶瓷复合材料，而且，由于等离子体的作用，可通过升高温度使样品的密度增大。但这种工艺对设备要求比较高，且实验过程中需要施加较高的压强（30～70MP），对模具性能要求比较高。（张锐等，郑州大学学报，2004，25（4）：41-44）。王春华等采用非均相沉淀包裹法制备了铜包裹不同状态SiC的复合粉体, 并结合热压烧结工艺制备了含有35%SiC（体积分数）的SiC/Cu复合材料。（王春华等，机械工程材料，2010,34（10）:36-39）。但复合材料中SiC体积分数需进一步提高，同时该工艺过程中也需要施加较高的压强，对模具性能要求比较高。Schubert等采用磁控溅射法在SiC表面沉积了一层钼，并采用粉末冶金工艺制备了SiC体积分数为40%、组织均匀致密的SiC/Cu复合材料，这种工艺大大减少了碳化硅与铜基体之间的界面反应，从而改善了复合材料的性能，但复合材料中SiC体积分数需进一步提高，且需进一步完善工艺减少复合材料残余孔隙。（Th.Schubert et al.,Composites Part:Applied Science and Manufacturing,2007,38(12):2398-2403）。因此，如何改善碳化硅和铜基体材料的润湿性能获得具有高强度、高致密的复合材料，对铜基复合材料的研究应用具有重要意义。
发明内容
为解决碳化硅与铜基体界面的物理、化学相容性较差，界面润湿情况不佳，以及当前纳米SiC/Cu基复合材料致密度低、强度低，制备工艺复杂难控，生产成本高等问题。本发明的目的在于一种粉末冶金法制备表面化学镀铜的纳米碳化硅增强铜基复合材料（即纳米CuSiC/Cu基复合材料）的方法，纳米CuSiC/Cu复合材料具有高强度、高致密等优点，且原料成本低廉，工艺简单易控。
本发明是通过以下技术方案实现的，具体步骤如下：
所述的粉末冶金工艺步骤如下：将纳米CuSiC粉末、镍粉和铜粉按比例置于压力成型机中模压成形，得到压坯预制件，将压坯预制件置于石墨坩埚中，粉末烧结反应在氮气保护的箱式气氛炉内进行，并在700～1000℃温度下保温4～6小时，随炉冷却后得到纳米CuSiC/Cu基复合材料。
所述的纳米CuSiC粉末的制备工艺步骤如下：
1）预处理：将5g纳米SiC粉末置于200mL10%氢氟酸溶液中进行粗化处理30min，去除纳米SiC粉末表面SiO2氧化层，去离子水反复清洗后置于烘箱中80℃烘干；然后将烘干后的纳米SiC粉末浸入200mL0.05mol/LSnCl2·2H2O和20mL/L浓盐酸的混合溶液中进行敏化处理20min，去离子水清洗后置于烘箱中80℃烘干；最后将烘干后的纳米SiC粉末浸入200mL0.02mol/LAgNO3溶液中活化处理20min，去离子水清洗后置于烘箱中80℃烘干。
2）施镀：取400mL去离子水置于烧杯中，分别加入8g CuSO4·5H2O、16mL HCHO、20g酒石酸钾钠和4mg亚铁氰化钾，取4g经过预处理过的纳米SiC粉末先放在50mL的镀液中进行超声处理5min，目的是为了打散团聚SiC颗粒，保证纳米SiC粉末的充分分散，然后加入剩余350mL镀液进行超声波化学镀铜实验，实验过程中用玻璃棒不断搅拌，同时不断加入20%NaOH，使镀液pH保持在11～13内，镀液由蓝绿色变成暗红色，且气泡停止冒出，反应完成，然后用去离子水清洗，置于烘箱中80℃烘干得纳米CuSiC粉末。
所述的纳米SiC粉末粒径为10～500nm，镍粉粒径为200目，铜粉粒径为200目。
所述的纳米CuSiC粉末与镍粉按质量比2:(0.1～0.2)混合均匀后；混合粉末与铜粉质量比为1:(1.1～1.4)。
所述的纳米CuSiC/Cu基复合材料中SiC体积分数为66～72％，Cu体积分数为28～34％。
本发明具有的有益效果是：
1、采用表面化学镀铜和添加镍粉的方法减少了纳米SiC粉末和铜基体之间的界面反应，提高了纳米SiC和铜基体的润湿性能。
2、粉末冶金工艺可以任意调节纳米SiC粉末的加入量,因此可以准确方便地控制纳米CuSiC/Cu基复合材料成分的比例，另外，由于粉末冶金工艺在材料生产过程中并不熔化材料，因此不会混入由坩埚带来的杂质，不会给材料任何污染，而且烧结反应在真空中进行，不怕氧化，故可以制取高纯度的纳米CuSiC/Cu基复合材料。
3、本发明制备的纳米CuSiC/Cu复合材料具有高强度、高致密等优点，且原料成本低廉，工艺简单易控。
具体实施方式
实施例1：
本实施例制备纳米CuSiC/Cu基复合材料的步骤如下：
1、将5g纳米SiC粉末置于200mL10%氢氟酸溶液中进行粗化处理30min，去离子水反复清洗后置于烘箱中80℃烘干；然后将烘干后的纳米SiC粉末浸入200mL0.05mol/LSnCl2·2H2O和20mL/L浓盐酸的混合溶液中进行敏化处理20min，去离子水清洗后置于烘箱中80℃烘干；最后将烘干后的纳米SiC粉末浸入200mL0.02mol/LAgNO3溶液中活化处理20min，去离子水清洗后置于烘箱中80℃烘干；
2、取400mL去离子水置于烧杯中，分别加入8g CuSO4·5H2O、16mL HCHO、20g酒石酸钾钠和4mg亚铁氰化钾，取4g经过预处理过的纳米SiC粉末先放在50mL的镀液中进行超声处理5min，然后加入剩余350mL镀液进行超声波化学镀铜实验，实验过程中用玻璃棒不断搅拌，同时不断加入20%NaOH，使镀液pH保持在12，镀液由蓝绿色变成暗红色，且气泡停止冒出，反应完成，然后用去离子水清洗，置于烘箱中80℃烘干得纳米CuSiC粉末；
3、将纳米CuSiC粉末和镍粉按质量比2:0.2的混合均匀，然后将混合粉末与Cu粉按质量比1:1.1混合均匀后置于压力成型机中模压成形，得到压坯预制件；
4、将压坯预制件置于石墨坩埚中，并将坩埚置于气氛箱式炉中，在氮气保护气氛下，升温至900℃温度，保温5小时进行粉末烧结；
5、随炉自然冷却至常温，开炉即得纳米CuSiC/Cu基复合材料，其SiC颗粒体积分数为72％，Cu体积分数为28％。
实施例2：
本实施例与实施例1不同在于步骤3将纳米CuSiC粉末和镍粉混合粉末按质量比2:0.15的混合均匀，混合粉末与铜粉按质量比1:1.2混合均匀后置于压力成型机中模压成形得压坯预制件；步骤4中升温到800℃，保温烧结6h。其他步骤与实施例1相同。开炉即得SiC体积分数为70％，Cu体积分数为30％的纳米CuSiC/Cu基复合材料。
实施例3：
本实施例与实施例1不同在于步骤2中镀液pH保持在11，步骤3将纳米CuSiC粉末和镍粉混合粉末按质量比2:0.15的混合均匀，混合粉末与铜粉按质量比1:1.3混合均匀后置于压力成型机中模压成形得压坯预制件；步骤4中升温到800℃，保温烧结4h。其他步骤与实施例1相同。开炉即得SiC体积分数为68％，Cu体积分数为32％的纳米CuSiC/Cu基复合材料。
实施例4：
本实施例与实施例1不同在于步骤2中镀液pH保持在13，步骤3将纳米CuSiC粉末和镍粉混合粉末按质量比2:0.2的混合均匀，混合粉末与铜粉按质量比1:1.4混合均匀后置于压力成型机中模压成形得压坯预制件；步骤4中升温到700℃，保温烧结4h。其他步骤与实施例1相同。开炉即得SiC体积分数为66％，Cu体积分数为34％的纳米CuSiC/Cu基复合材料。
实施例5：
本实施例与实施例1不同在于步骤2中镀液pH保持在13，步骤3将纳米CuSiC粉末和镍粉混合粉末按质量比2:0.1的混合均匀，混合粉末与铜粉按质量比1:1.3混合均匀后置于压力成型机中模压成形得压坯预制件。其他步骤与实施例1相同。开炉即得SiC体积分数为67％，Cu体积分数为33％的纳米CuSiC/Cu基复合材料。
实施例6：
本实施例与实施例1不同在于,步骤3将纳米CuSiC粉末和镍粉混合粉末按质量比2:0.1的混合均匀，混合粉末与铜粉按质量比1:1.2混合均匀后置于压力成型机中模压成形得压坯预制件；步骤4中升温到1000℃，保温烧结6h。其他步骤与实施例1相同。开炉即得SiC体积分数为71％，Cu体积分数为29％的纳米CuSiC/Cu基复合材料。
Claims (4)
1.一种粉末冶金法制备纳米CuSiC/Cu基复合材料的方法，其特征在于，该方法的步骤如下：将纳米CuSiC粉末、镍粉和铜粉按比例置于压力成型机中模压成形，得到压坯预制件，将压坯预制件置于石墨坩埚中，粉末烧结反应在氮气保护的箱式气氛炉内进行，并在700～1000℃温度下保温4～6小时，随炉冷却后得到纳米CuSiC/Cu基复合材料；
所述的纳米CuSiC粉末的制备工艺步骤如下：
1）预处理：将5g纳米SiC粉末置于200mL10%氢氟酸溶液中进行粗化处理30min，去除纳米SiC粉末表面SiO2氧化层，去离子水反复清洗后置于烘箱中80℃烘干；然后将烘干后的纳米SiC粉末浸入200mL0.05mol/L SnCl2·2H2O和20mL/L浓盐酸的混合溶液中进行敏化处理20min，去离子水清洗后置于烘箱中80℃烘干；最后将烘干后的纳米SiC粉末浸入200mL0.02mol/L AgNO3溶液中活化处理20min，去离子水清洗后置于烘箱中80℃烘干；
2）施镀：取400mL去离子水置于烧杯中，分别加入8g CuSO4·5H2O、16mL HCHO、20g酒石酸钾钠和4mg亚铁氰化钾，取4g经过预处理过的纳米SiC粉末先放在50mL的镀液中进行超声处理5min，目的是为了打散团聚SiC颗粒，保证纳米SiC粉末的充分分散，然后加入剩余350mL镀液进行超声波化学镀铜实验，实验过程中用玻璃棒不断搅拌，同时不断加入20%NaOH，使镀液pH保持在11～13内，镀液由蓝绿色变成暗红色，且气泡停止冒出，反应完成，然后用去离子水清洗，置于烘箱中80℃烘干得纳米CuSiC粉末。
2.根据权利要求1所述的一种粉末冶金法制备纳米CuSiC/Cu基复合材料的方法，其特征在于：所述的纳米SiC粉末粒径为10～500nm，镍粉粒径为200目，铜粉粒径为200目。
3.根据权利要求1所述的一种粉末冶金法制备纳米CuSiC/Cu基复合材料的方法，其特征在于：所述的纳米CuSiC粉末与镍粉按质量比2:(0.1～0.2)混合均匀后；混合粉末与铜粉质量比为1:(1.1～1.4)。
4. 根据权利要求1所述的一种粉末冶金法制备纳米CuSiC/Cu基复合材料的方法，其特征在于：所述的纳米CuSiC/Cu基复合材料中SiC体积分数为66～72％，Cu体积分数为28～34％。
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