CN104141060A - 一种互不固溶金属钽-银基体致密的块状复合材料的制备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种互不固溶金属钽-银基体致密的块状复合材料的制备，复合材料的结构为基体中部分液相的银包围着钽颗粒，同时钽骨架缝隙中渗透着液相的银，该复合材料的拉伸强度大于304Mpa。制备方法的步骤包括：1)称量摩尔比为1:1的纯钽粉和纯银粉并混合；2)将上述混合粉体在球磨机中搅拌，确保粉体混合均匀；3)对混合均匀的粉体进行压膜，成块体；4将坯料在稍低于银熔点温度下烧结，最后获得拉伸强度大于304Mpa的钽-银块状复合材料。本发明生产工艺简单，较容易实现高效生产。本发明不仅可用于制备钽-银互不固溶金属块体复合材料，也同样适用于其它体系的互不固溶金属块体复合材料的制备，如钼-铜、钨-银和铌-铝等。

Description

一种互不固溶金属钽-银基体致密的块状复合材料的制备

技术领域

本发明涉及一种互不固溶金属复合材料的制备，具体是采用粉末液相烧结的方法通过控制工艺参数以及原料比例制备出高强度的新型互不固溶金属复合材料。

背景技术

单一的材料由于其性能的单一性和局限性，在很多领域无法满足生产和应用的需要，复合材料作为材料发展的重点被深入研究。然而，在各种复合材料迅速发展的同时，互不固溶金属的直接连接/复合却成了复合材料制备的一大难题。互不固溶金属由于其晶体结构不同、反应热为正、无法润湿以及其他物理化学方面性质的巨大差异，以至互不固溶金属相互之间连接/复合无法顺利进行。然而，航天航空、汽车、电子等行业的迅速发展需要互不固溶金属复合材料作为支撑，如何实现互不固溶金属的连接/复合成为很多领域亟待解决的问题。

粉末冶金技术是目前制备互不固溶金属复合材料的主要方法，特例有熔渗法，属于液相烧结的一种。以W-10％Cu为例，将两种金属粉末制成压坯，然后将压坯放置在还原气氛或真空中在高于铜熔点的温度下进行烧结。在烧结过程中，依靠毛细管作用，将熔融的铜渗入到钨骨架。然而这种方法同时存在着一些缺陷和局限：熔渗烧结时，液相铜紧靠钨骨架空隙的毛细管作用渗入，铜凝固粗大且分布不均匀。而且高温烧结又会使钨颗粒聚集长大，形成粗大的不均匀组织。

为了得到致密性较好的互不固溶金属的合金，有人提出在烧结中添加烧结助剂可以实现完全的致密。然而，在不同类型的互不固溶金属的烧结中，一种合适的烧结助剂是不容易寻找的；并且，这种液相烧结的方法制备互不固溶金属复合材料还是很不成熟的，目前做的最多的是Mo、Cu、W三种金属，大部分金属材料目前为止还未曾被研究，这是远远无法满足一些领域对新材料的要求的。

另外，也有人提出机械合金化和液相烧结相结合的方法制备层状的复合材料，以Mo-50％Ag为例，将Mo-Ag粉末进行长时间的共球磨，再将球磨后的原料压制成坯，最后将生坯在稍低于银熔点的温度下液相烧结，最终会使两相分离，得到层状的复合材料。然而，由于大量的银溢出，致使中间层由大部分的Mo和少量的Ag组成，造成了基体的强度不够，这在应用上是一个很大的短板，并且工艺复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种互不固溶金属钽-银基体致密的块状复合材料的制备，主要是通过在接近低熔点金属熔点的温度下对两种混合均匀的互不固溶金属粉末进行烧结。选择合适的物料比例，可以保证在烧结中得到足够的液相，一部分液相在高熔点金属形成骨架时渗入骨架的空隙中，另一部分液相可以使高熔点金属的颗粒发生重排，被液相包围，从而可以形成结合致密，强度较高的互不固溶复合材料。

本发明一种互不固溶金属钽-银基体致密的块状复合材料的制备，采用粉末液相烧结法的制备工艺，制备得到的块状复合材料的结构为基体中部分液相的银包围着钽颗粒，同时，钽骨架缝隙中渗透着液相的银，该复合材料的拉伸强度大于304Mpa，

其制备过程如下：

步骤一、将300目的Ta粉和300目的Ag粉，按照摩尔比1：1进行称量、混合，得到混合粉体；

步骤二、将上述混合粉体和玛瑙研磨球放入球磨罐，然后固定于球磨机中，设置球磨机的转速为90r/min，运行30Min，将混合粉体混合均匀；

步骤三、将混合均匀的粉体倒进压膜的模具中，放入压膜机，在30MPa的压力下压制5～10min，制成坯料；

步骤四、将坯料放入氩气炉，在950℃保温3～5小时进行烧结，随炉冷却后，获得拉伸强度大于304Mpa的钽-银基体致密的块状复合材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的关键在于烧结温度要低于两种互不固溶金属中低熔点金属的熔点，同时，两种金属粉末的混合比例要适中，其中低熔点金属粉末的比例要达到一定的值才能够使烧结过程中出现既足够又适量的液相，从而形成的基体比较均匀，结合密切。本发明所获柱状复合材料结构为基体中部分液相的银包围着钽颗粒，同时存在着钽骨架缝隙中渗透着液相的银，其拉伸强度大于304MPa。本发明获得的复合材料具备耐热冲击和焊接性能等特点，可以作为电子封装材料以及用于航空航天等领域。本发明生产工艺简单，较容易实现高效生产。本发明不仅可用于制备钽-银互不固溶金属块体复合材料，也同样适用于其它体系的互不固溶金属块体复合材料的制备，如钼-铜、钨-银和铌-铝等

附图说明

图1是本发明中原始300目钽粉SEM照片；

图2是本发明中原始300目银粉SEM照片；

图3是本发明中纯钽粉和纯银粉混合均匀后的SEM照片；

图4是本发明中钽-银柱状复合材料表面SEM照片；

图5(a)是本发明中钽-银柱状复合材料基体断口的SEM照片；

图5(b)是图5(a)中的局部放大图；

图6(a)是图5(b)中较小方框限定范围的能谱分析图；

图6(b)是图5(b)中较大方框限定范围的能谱分析图；

图7是本发明中钽-银柱状复合材料拉伸强度测试曲线。

具体实施方式

本发明一种互不固溶金属钽-银基体致密的块状复合材料的制备，主要包括：将互不固溶金属粉末按比例均匀混合、坯料压制后采用粉末液相烧结法制备，制备得到的块状复合材料的结构为基体中部分液相的银包围着钽颗粒，同时，钽骨架缝隙中渗透着液相的银，该复合材料的拉伸强度大于304Mpa。

下面结合实施例和附图作详细描述。实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件以及手册中所述的条件，或按照制造厂商说明书所建议的条件。

按照下述步骤制备钽-银基体致密的块状复合材料：

1)利用电子天平称量15.883g的300目(8.47μm)纯钽粉(纯度为99.99％)，钽粉微观形貌见图1，称量9.530g的300目(8.47μm)纯银粉(纯度为99.99％)，银粉微观形貌见图2。

2)然后，将上述两种粉体连同玛瑙研磨球倒入球磨罐中，密封后，将球磨罐固定于全方位行星式球磨机(QM-QX、南京南大仪器厂)中装好；设置球磨机的转速为90r/min，运转30min后，将上述纯钽粉和纯银粉混合均匀；将上述混合均匀的粉体从球磨罐中取出，进行粉末形貌的SEM观察，结果见图3所示。可以看出金属粉末混合较均匀。

3)将混合均匀好的粉末装入压膜模具(BM-13、天津博君科技有限公司)中，在压膜机(FW-5、天津百好特仪器有限公司)上施加30MPa的压力，保压5min，然后进行脱模处理，得到压制后的圆坯，该圆坯的尺寸是高度为9mm，直径为6mm。

4)将压制好的圆坯放到气氛退火炉(南京大学生产的OTL1200管式炉)中进行烧结，保护气氛为氩气。烧结过程为由室温升至950℃用2小时，在950℃保温3小时，保温结束后随炉冷却至室温。

烧结结束后最终获得钽-银柱状金属基复合材料。如图4所示的该复合材料表面形貌的观察，其整个表面比较平整，致密性很好；对比烧结前压制的粉膜圆坯，烧结后的复合材料的表面比烧结前的颜色更偏向银白色。这是因为在烧结中，一部分的银发生了融化，液体流动，颗粒重排填满表层的空隙。

为了表明本发明所获得的复合材料基体结构致密性很好，对上述钽-银柱状金属基复合材料进行了基体的形貌SEM观察及能谱分析：图5(a)是本发明中钽-银柱状复合材料基体断口的SEM照片，从中可以看出，有液相包围颗粒，也有颗粒形成骨架并在骨架内渗透着液相的；5(b)是图5(a)中的局部放大图，清晰可见液相包围着颗粒；图6(a)是图5(b)中较小方框限定范围的能谱分析图；图6(b)是图5(b)中较大方框限定范围的能谱分析图；通过图5(a)、图6(a)和图6(b)可以得出整个基体中钽银分布很均匀，并且有液相银在融化过程中包围钽颗粒，同时存在着高熔点的钽颗粒在烧结中形成骨架，有一部分液相的银渗透在骨架中，结合密切，致密性很好。

对上述钽-银柱状金属基复合材料进行拉伸试验。拉伸试验：在电子万能试验机(型号为CSS-44100，长春试验机所生产)进行拉伸测试，拉伸速度为1mm/min，拉伸至复合材料钽-银烧结基体断裂，记录此时的最大载荷。计算断口面积，将最大载荷除以断口面积，即获得钽-银烧结体复合材料的烧结强度，结果如表1所示，图7是本发明中钽-银柱状复合材料拉伸强度测试曲线。

表1钽-银圆柱状复合材料拉伸测试结果

本发明制备方法综合了粉末冶金中的液相烧结和超固相烧结的方法，并加大了互不固溶金属粉末中低熔点金属所占的比例；同时还采用了新型互不固溶金属材料。烧结过程中，低熔点金属有一部分融化，随着液相的生成，高熔点金属的固体颗粒在液相内近似悬浮状态，受液相表面张力的推动而发生移动，使高熔点金属颗粒发生重排。不同于现有技术中采用熔渗法制备Ta-10％Ag的例子，本发明中由于原料中低熔点金属银的含量比较多，所以液相成分充足，可以在降温冷却的时候环绕在颗粒周围最终在凝固后包围了颗粒，从而形成紧密的一个整体。同时，也存在着高熔点金属骨架的形成，少量的液相渗透缝隙达到致密化。由于本发明制备方法中的球磨时间较短只有30min，并且转速较低为90R/min，其作用是为了将两种粉体混合均匀，不像现有技术中采用高速球磨，通常时间为10～16h。因而本发明中高熔点金属颗粒比较粗大，缝隙较多，不会使液相的银渗出而出现两相分离。本发明制备方法最终可以使烧结的材料具有较高的强度，其拉伸强度在304Mpa以上。通过本发明制备方法所获的复合材料，其整体分布均匀，外观平整，强度较高。

本发明提供的新型互不固溶金属柱状复合材料的制备方法，其关键工艺在于烧结温度要接近两种互不固溶金属中低熔点金属的熔点。如银的熔点为960.8℃，那么在制备钽-银柱状复合材料的时候退火温度应选在950℃；又如对于钼-铜体系，铜的熔点为1083.4℃，在制备钼-铜柱状复合材料的时候退火温度选在1070℃。除此之外，两种金属粉末混合比例要适中，例如制备钽-银柱状复合材料的时候，银粉与钽粉的摩尔比要超过3:4，这样才能够在退火过程中有足够的液相产生，保证基体的强度。

本发明的钽-银柱状复合材料是以钽-银烧结体为整个框架并呈现块体结构的先进复合材料。其中，银的导电性在金属中占首位还具备了很好的焊接性，因此，银常用来制作灵敏度极高的物理仪器元件，各种自动化装置、火箭、潜水艇、计算机、核装置以及通讯系统；而钽具有很高的抗腐蚀性。因此，钽银形成的合金不仅具备银原来性能的同时还延长了材料的寿命，可以做银基电触头材料。本发明工艺简单，可以实现高效批量生产。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种互不固溶金属钽-银基体致密的块状复合材料的制备，其特征在于采用粉末液相烧结法的制备工艺，制备得到的块状复合材料的结构为基体中部分液相的银包围着钽颗粒，同时，钽骨架缝隙中渗透着液相的银，该复合材料的拉伸强度大于304Mpa，

其制备过程如下：

步骤一、将300目的Ta粉和300目的Ag粉，按照摩尔比1：1进行称量、混合，得到混合粉体；

步骤二、将上述混合粉体和玛瑙研磨球放入球磨罐，然后固定于球磨机中，设置球磨机的转速为90r/min，运行30Min，将混合粉体混合均匀；

步骤三、将混合均匀的粉体倒进压膜的模具中，放入压膜机，在30MPa的压力下压制5～10min，制成坯料；

步骤四、将坯料放入氩气炉，在950℃保温3～5小时进行烧结，随炉冷却后，获得拉伸强度大于304Mpa的钽-银基体致密的块状复合材料。

2.根据权利要求1所述互不固溶金属钽-银基体致密的块状复合材料的制备，其特征在于，所述Ta粉和Ag粉的纯度均分别为99.99％。