CN105925919A - 一种改性铜基高强度复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种改性铜基高强度复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改性铜基高强度复合材料，由下列重量份的原料制成：铜合金15‑25份、铜粉15‑20份、铋粉2‑5份、碳化硅5‑9份、碳化镁3‑6份、氧化铝3‑6份、硼酸铝2‑5份、聚酯纤维8‑12份、玻璃纤维5‑9份、甲基纤维素6‑9份、氧化锆1‑4份、钒2‑6份、三聚磷酸钠1‑3份、氮化硼5‑8份、乙烯基三乙氧基硅烷4‑7份、抗氧化剂3‑6份、热稳定剂5‑10份。制备而成的改性铜基高强度复合材料，其高强度、低膨胀系数、整体性能稳定。同时，还公开了相应的制备方法。

Description

一种改性铜基高强度复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，特别涉及一种改性铜基高强度复合材料及其制备方法。
背景技术
铜基铜合金机械性能良好，且工艺性能优良，易于铸造，塑性加工，同时有着良好的耐蚀性、导电导热性能，所以被广泛应用于电子电气、机械制造等工业领域。但是铜在行业内的应用也是有着很多制约因素的，比如铜在室温强度、高压强度、高温性能以及磨损性能等方面也有诸多的不足。然而随着时代及技术的发展，对铜基铜合金材料提出了更多更高的要求，即在铜的良好导电、导热等物理性能的基础上，要求铜具有高强度、高温力学性能，并且要求铜材料具有较低的热膨胀系数和良好的摩擦磨损耐受性。
近几十年来，材料学的突飞猛进也带动铜材料的进步。在铜材料的基础上引入了纤维、晶须、陶瓷颗粒等高强度的强化相来增强铜基体的物理性质，使其性能大幅度的提高，满足各种行业对于铜材料的特殊要求。所以，本研究主要基于铜基体材料的研究，旨在研制出一款改良的铜基高强度复合材料，来应对行业的要求和需求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种改性铜基高强度复合材料及其制备方法，通过采用特定原料进行组合，配合相应的生产工艺，得到了改性铜基高强度复合材料，其高强度、低膨胀系数、整体性能稳定，能够满足行业的要求，具有较好的应用前景。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
改性铜基高强度复合材料，由下列重量份的原料制成：铜合金 15-25 份、铜粉 15-20 份、铋粉 2-5 份、碳化硅 5-9 份、碳化镁 3-6 份、氧化铝 3-6 份、硼酸铝 2-5 份、聚酯纤维 8-12 份、玻璃纤维 5-9 份、甲基纤维素 6-9 份、氧化锆 1-4 份、钒 2-6 份、三聚磷酸钠 1-3 份、氮化硼 5-8 份、乙烯基三乙氧基硅烷 4-7 份、 抗氧化剂 3-6 份、热稳定剂 5-10 份。
优选地，所述的抗氧化剂选自特丁基对苯二酚、二丁基羟基甲苯、丁基羟基茴香醚、邻苯二甲酸二丙烯酯中的一种或几种。
优选地，所述热稳定剂选自己二酸二酰肼、丙二醇甲醚醋酸酯、双巯基乙酸异辛酯二正辛基锡、双丙烯酸丁二酯中的一种或几种。
所述的改性铜基高强度复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（ 1 ）按照重量份称取各原料；
（ 2 ）将铜合金、铜粉、铋粉、碳化硅、碳化镁、氧化铝、硼酸铝、氧化锆、钒、 抗氧化剂 倒入研钵中研磨混合均匀，再将该混合粉末加到球磨机中，加入适量的酒精进行湿法球磨，球磨速度为 40 转 / 秒，球磨 2-5h 后将混合粉体放入 真空干燥箱中于 75 ℃条件下烘干，得到粉末状混合物；
（ 3 ）将聚酯纤维、玻璃纤维、甲基纤维素 、 三聚磷酸钠、氮化硼、乙烯基三乙氧基硅烷、 热稳定剂 加入超声震荡器中，在 60kHz 、 250W 的条件下分散均匀，得到混合料浆；
（ 4 ）将步骤（ 2 ）得到的粉末状混合物加到步骤（ 3 ）得到的混合料浆中，搅拌均匀后加入喷雾干燥塔，进口温度为 820-960 ℃，出口温度为 180-220 ℃，得到颗粒状物料，然后过 70 目筛；
（ 5 ）将过筛后的物料放入模具中，由液压机以 220-250Mpa 的压力压制成型， 获得生坯，将得到的生坯放入 -50 ℃的低温箱中冷却 10-16 分钟；
（ 6 ）将低温冷却后的生坯浸渍于铬酸钾溶液中，维持 5min 后取出生坯，将生坯 在干燥箱中于 30-50 ℃中干燥 60-80min ，然后在氮气氛围中，于 1350-1500 ℃烧结 90-120min ，随后冷却至室温，得到成品。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
（ 1 ）本发明的改性铜基高强度复合材料以铜合金、铜粉、铋粉、聚酯纤维、玻璃纤维、甲基纤维素为主要成分，通过加入碳化硅、碳化镁、氧化铝、硼酸铝、氧化锆、钒、三聚磷酸钠、氮化硼、乙烯基三乙氧基硅烷、 抗氧化剂、热稳定剂 ，辅以高温煅烧、搅拌球磨、超声分散、干燥过筛、压模冷却、烧结、加工成型等工艺，使得制备而成的改性铜基高强度复合材料，其高强度、低膨胀系数、整体性能稳定，能够满足行业的要求，具有较好的应用前景。
（ 2 ）本发明的改性铜基高强度复合材料原料廉价、工艺简单，适于大规模工业化运用，实用性强。
具体实施方式
下面结合具体实施例对发明的技术方案进行详细说明。
实施例 1
（ 1 ）称取铜合金 15 份、铜粉 15 份、铋粉 2 份、碳化硅 5 份、碳化镁 3 份、氧化铝 3 份、硼酸铝 2 份、聚酯纤维 8 份、玻璃纤维 5 份、甲基纤维素 6 份、氧化锆 1 份、钒 2 份、三聚磷酸钠 1 份、氮化硼 5 份、乙烯基三乙氧基硅烷 4 份、特丁基对苯二酚 3 份、 己二酸二酰肼 5 份 ；
（ 2 ）将铜合金、铜粉、铋粉、碳化硅、碳化镁、氧化铝、硼酸铝、氧化锆、钒、特丁基对苯二酚倒入研钵中研磨混合均匀，再将该混合粉末加到球磨机中，加入适量的酒精进行湿法球磨，球磨速度为 40 转 / 秒，球磨 2h 后将混合粉体放入 真空干燥箱中于 75 ℃条件下烘干，得到粉末状混合物；
（ 3 ）将聚酯纤维、玻璃纤维、甲基纤维素 、 三聚磷酸钠、氮化硼、乙烯基三乙氧基硅烷、己二酸二酰肼加入超声震荡器中，在 60kHz 、 250W 的条件下分散均匀，得到混合料浆；
（ 4 ）将步骤（ 2 ）得到的粉末状混合物加到步骤（ 3 ）得到的混合料浆中，搅拌均匀后加入喷雾干燥塔，进口温度为 820 ℃，出口温度为 180 ℃，得到颗粒状物料，然后过 70 目筛；
（ 5 ）将过筛后的物料放入模具中，由液压机以 220Mpa 的压力压制成型， 获得生坯，将得到的生坯放入 -50 ℃的低温箱中冷却 10 分钟；
（ 6 ）将低温冷却后的生坯浸渍于铬酸钾溶液中，维持 5min 后取出生坯，将生坯 在干燥箱中于 30 ℃中干燥 60min ，然后在氮气氛围中，于 1350 ℃烧结 90min ，随后冷却至室温，得到成品。
制得的改性铜基高强度复合材料的性能测试结果如表 1 所示。
实施例 2
（ 1 ）称取铜合金 18 份、铜粉 17 份、铋粉 3 份、碳化硅 6 份、碳化镁 4 份、氧化铝 4 份、硼酸铝 3 份、聚酯纤维 9 份、玻璃纤维 6 份、甲基纤维素 7 份、氧化锆 2 份、钒 3 份、三聚磷酸钠 2 份、氮化硼 6 份、乙烯基三乙氧基硅烷 5 份、二丁基羟基甲苯 4 份、 丙二醇甲醚醋酸酯 7 份 ；
（ 2 ）将铜合金、铜粉、铋粉、碳化硅、碳化镁、氧化铝、硼酸铝、氧化锆、钒、二丁基羟基甲苯倒入研钵中研磨混合均匀，再将该混合粉末加到球磨机中，加入适量的酒精进行湿法球磨，球磨速度为 40 转 / 秒，球磨 3h 后将混合粉体放入 真空干燥箱中于 75 ℃条件下烘干，得到粉末状混合物；
（ 3 ）将聚酯纤维、玻璃纤维、甲基纤维素 、 三聚磷酸钠、氮化硼、乙烯基三乙氧基硅烷、丙二醇甲醚醋酸酯加入超声震荡器中，在 60kHz 、 250W 的条件下分散均匀，得到混合料浆；
（ 4 ）将步骤（ 2 ）得到的粉末状混合物加到步骤（ 3 ）得到的混合料浆中，搅拌均匀后加入喷雾干燥塔，进口温度为 880 ℃，出口温度为 190 ℃，得到颗粒状物料，然后过 70 目筛；
（ 5 ）将过筛后的物料放入模具中，由液压机以 230Mpa 的压力压制成型， 获得生坯，将得到的生坯放入 -50 ℃的低温箱中冷却 12 分钟；
（ 6 ）将低温冷却后的生坯浸渍于铬酸钾溶液中，维持 5min 后取出生坯，将生坯 在干燥箱中于 35 ℃中干燥 65min ，然后在氮气氛围中，于 1400 ℃烧结 100min ，随后冷却至室温，得到成品。
制得的改性铜基高强度复合材料的性能测试结果如表 1 所示。
实施例 3
（ 1 ）称取铜合金 22 份、铜粉 19 份、铋粉 4 份、碳化硅 8 份、碳化镁 5 份、氧化铝 5 份、硼酸铝 4 份、聚酯纤维 10 份、玻璃纤维 8 份、甲基纤维素 8 份、氧化锆 3 份、钒 5 份、三聚磷酸钠 2 份、氮化硼 7 份、乙烯基三乙氧基硅烷 6 份、丁基羟基茴香醚 6 份、 双巯基乙酸异辛酯二正辛基锡 8 份 ；
（ 2 ）将铜合金、铜粉、铋粉、碳化硅、碳化镁、氧化铝、硼酸铝、氧化锆、钒、丁基羟基茴香醚倒入研钵中研磨混合均匀，再将该混合粉末加到球磨机中，加入适量的酒精进行湿法球磨，球磨速度为 40 转 / 秒，球磨 4h 后将混合粉体放入 真空干燥箱中于 75 ℃条件下烘干，得到粉末状混合物；
（ 3 ）将聚酯纤维、玻璃纤维、甲基纤维素 、 三聚磷酸钠、氮化硼、乙烯基三乙氧基硅烷、双巯基乙酸异辛酯二正辛基锡加入超声震荡器中，在 60kHz 、 250W 的条件下分散均匀，得到混合料浆；
（ 4 ）将步骤（ 2 ）得到的粉末状混合物加到步骤（ 3 ）得到的混合料浆中，搅拌均匀后加入喷雾干燥塔，进口温度为 920 ℃，出口温度为 210 ℃，得到颗粒状物料，然后过 70 目筛；
（ 5 ）将过筛后的物料放入模具中，由液压机以 240Mpa 的压力压制成型， 获得生坯，将得到的生坯放入 -50 ℃的低温箱中冷却 14 分钟；
（ 6 ）将低温冷却后的生坯浸渍于铬酸钾溶液中，维持 5min 后取出生坯，将生坯 在干燥箱中于 45 ℃中干燥 70min ，然后在氮气氛围中，于 1450 ℃烧结 110min ，随后冷却至室温，得到成品。
制得的改性铜基高强度复合材料的性能测试结果如表 1 所示。
实施例 4
（ 1 ）称取铜合金 25 份、铜粉 20 份、铋粉 5 份、碳化硅 9 份、碳化镁 6 份、氧化铝 6 份、硼酸铝 5 份、聚酯纤维 12 份、玻璃纤维 9 份、甲基纤维素 9 份、氧化锆 4 份、钒 6 份、三聚磷酸钠 3 份、氮化硼 8 份、乙烯基三乙氧基硅烷 7 份、邻苯二甲酸二丙烯酯 6 份、 双丙烯酸丁二酯 10 份 ；
（ 2 ）将铜合金、铜粉、铋粉、碳化硅、碳化镁、氧化铝、硼酸铝、氧化锆、钒、邻苯二甲酸二丙烯酯倒入研钵中研磨混合均匀，再将该混合粉末加到球磨机中，加入适量的酒精进行湿法球磨，球磨速度为 40 转 / 秒，球磨 5h 后将混合粉体放入 真空干燥箱中于 75 ℃条件下烘干，得到粉末状混合物；
（ 3 ）将聚酯纤维、玻璃纤维、甲基纤维素 、 三聚磷酸钠、氮化硼、乙烯基三乙氧基硅烷、双丙烯酸丁二酯加入超声震荡器中，在 60kHz 、 250W 的条件下分散均匀，得到混合料浆；
（ 4 ）将步骤（ 2 ）得到的粉末状混合物加到步骤（ 3 ）得到的混合料浆中，搅拌均匀后加入喷雾干燥塔，进口温度为 960 ℃，出口温度为 220 ℃，得到颗粒状物料，然后过 70 目筛；
（ 5 ）将过筛后的物料放入模具中，由液压机以 250Mpa 的压力压制成型， 获得生坯，将得到的生坯放入 -50 ℃的低温箱中冷却 16 分钟；
（ 6 ）将低温冷却后的生坯浸渍于铬酸钾溶液中，维持 5min 后取出生坯，将生坯在干燥箱中于 50 ℃中干燥 80min ，然后在氮气氛围中，于 1500 ℃烧结 120min ，随后冷却至室温，得到成品。
制得的改性铜基高强度复合材料的性能测试结果如表 1 所示。
对比例 1
（ 1 ）称取铜合金 15 份、铋粉 2 份、碳化硅 5 份、碳化镁 3 份、氧化铝 3 份、硼酸铝 2 份、聚酯纤维 8 份、甲基纤维素 6 份、氧化锆 1 份、钒 2 份、三聚磷酸钠 1 份、氮化硼 5 份、乙烯基三乙氧基硅烷 4 份、特丁基对苯二酚 3 份、 己二酸二酰肼 5 份 ；
（ 2 ）将铜合金、铋粉、碳化硅、碳化镁、氧化铝、硼酸铝、氧化锆、钒、特丁基对苯二酚倒入研钵中研磨混合均匀，再将该混合粉末加到球磨机中，加入适量的酒精进行湿法球磨，球磨速度为 40 转 / 秒，球磨 2h 后将混合粉体放入 真空干燥箱中于 75 ℃条件下烘干，得到粉末状混合物；
（ 3 ）将聚酯纤维、甲基纤维素 、 三聚磷酸钠、氮化硼、乙烯基三乙氧基硅烷、己二酸二酰肼加入超声震荡器中，在 60kHz 、 250W 的条件下分散均匀，得到混合料浆；
（ 4 ）将步骤（ 2 ）得到的粉末状混合物加到步骤（ 3 ）得到的混合料浆中，搅拌均匀后加入喷雾干燥塔，进口温度为 820 ℃，出口温度为 180 ℃，得到颗粒状物料，然后过 70 目筛；
（ 5 ）将过筛后的物料放入模具中，由液压机以 220Mpa 的压力压制成型， 获得生坯，将得到的生坯放入 -50 ℃的低温箱中冷却 10 分钟；
（ 6 ）将低温冷却后的生坯浸渍于铬酸钾溶液中，维持 5min 后取出生坯，将生坯 在干燥箱中于 30 ℃中干燥 60min ，然后在氮气氛围中，于 1350 ℃烧结 90min ，随后冷却至室温，得到成品。
制得的改性铜基高强度复合材料的性能测试结果如表 1 所示。
对比例 2
（ 1 ）称取铜合金 25 份、铜粉 20 份、碳化镁 6 份、氧化铝 6 份、硼酸铝 5 份、聚酯纤维 12 份、玻璃纤维 9 份、氧化锆 4 份、钒 6 份、三聚磷酸钠 3 份、氮化硼 8 份、乙烯基三乙氧基硅烷 7 份、邻苯二甲酸二丙烯酯 6 份、 双丙烯酸丁二酯 10 份 ；
（ 2 ）将铜合金、铜粉、碳化镁、氧化铝、硼酸铝、氧化锆、钒、邻苯二甲酸二丙烯酯倒入研钵中研磨混合均匀，再将该混合粉末加到球磨机中，加入适量的酒精进行湿法球磨，球磨速度为 40 转 / 秒，球磨 5h 后将混合粉体放入 真空干燥箱中于 75 ℃条件下烘干，得到粉末状混合物；
（ 3 ）将聚酯纤维、玻璃纤维、三聚磷酸钠、氮化硼、乙烯基三乙氧基硅烷、双丙烯酸丁二酯加入超声震荡器中，在 60kHz 、 250W 的条件下分散均匀，得到混合料浆；
（ 4 ）将步骤（ 2 ）得到的粉末状混合物加到步骤（ 3 ）得到的混合料浆中，搅拌均匀后加入喷雾干燥塔，进口温度为 960 ℃，出口温度为 220 ℃，得到颗粒状物料，然后过 70 目筛；
（ 5 ）将过筛后的物料放入模具中，由液压机以 250Mpa 的压力压制成型， 获得生坯，将得到的生坯放入 -50 ℃的低温箱中冷却 16 分钟；
（ 6 ）将低温冷却后的生坯浸渍于铬酸钾溶液中，维持 5min 后取出生坯，将生坯在干燥箱中于 50 ℃中干燥 80min ，然后在氮气氛围中，于 1500 ℃烧结 120min ，随后冷却至室温，得到成品。
制得的改性铜基高强度复合材料的性能测试结果如表 1 所示。
将实施例 1-4 和对比例 1-2 的改性铜基高强度复合材料分别进行抗拉强度、冲击压力、硬度、热膨胀系数的测试。
表 1
　 抗拉强度（ MPa ） 冲击压力（ MPa ） 硬度 (HB) 热膨胀系数（ *10 -7 ）
实施例 1 1744 792 393 5.30
实施例 2 1799 819 404 5.41
实施例 3 1814 824 415 5.48
实施例 4 1827 834 410 5.67
对比例 1 636 290 120 3.59
对比例 2 747 343 137 3.53
本发明的改性铜基高强度复合材料以铜合金、铜粉、铋粉、聚酯纤维、玻璃纤维、甲基纤维素为主要成分，通过加入碳化硅、碳化镁、氧化铝、硼酸铝、氧化锆、钒、三聚磷酸钠、氮化硼、乙烯基三乙氧基硅烷、 抗氧化剂、热稳定剂 ，辅以高温煅烧、搅拌球磨、超声分散、干燥过筛、压模冷却、烧结、加工成型等工艺，使得制备而成的改性铜基高强度复合材料，其高强度、低膨胀系数、整体性能稳定，能够满足行业的要求，具有较好的应用前景。本发明的改性铜基高强度复合材料原料廉价、工艺简单，适于大规模工业化运用，实用性强。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种改性铜基高强度复合材料，其特征在于：由下列重量份的原料制成：铜合金15-25份、铜粉15-20份、铋粉2-5份、碳化硅5-9份、碳化镁3-6份、氧化铝3-6份、硼酸铝2-5份、聚酯纤维8-12份、玻璃纤维5-9份、甲基纤维素6-9份、氧化锆1-4份、钒2-6份、三聚磷酸钠1-3份、氮化硼5-8份、乙烯基三乙氧基硅烷4-7份、抗氧化剂3-6份、热稳定剂5-10份。
2.根据权利要求1所述的改性铜基高强度复合材料，其特征在于：所述的抗氧化剂选自特丁基对苯二酚、二丁基羟基甲苯、丁基羟基茴香醚、邻苯二甲酸二丙烯酯中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的改性铜基高强度复合材料，其特征在于：所述热稳定剂选自己二酸二酰肼、丙二醇甲醚醋酸酯、双巯基乙酸异辛酯二正辛基锡、双丙烯酸丁二酯中的一种或几种。
4.根据权利要求1-3任一所述的改性铜基高强度复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）按照重量份称取各原料；
（2）将铜合金、铜粉、铋粉、碳化硅、碳化镁、氧化铝、硼酸铝、氧化锆、钒、抗氧化剂倒入研钵中研磨混合均匀，再将该混合粉末加到球磨机中，加入适量的酒精进行湿法球磨，球磨速度为40转/秒，球磨2-5h后将混合粉体放入 真空干燥箱中于75℃条件下烘干，得到粉末状混合物；
（3）将聚酯纤维、玻璃纤维、甲基纤维素、三聚磷酸钠、氮化硼、乙烯基三乙氧基硅烷、热稳定剂加入超声震荡器中，在60kHz、250W的条件下分散均匀，得到混合料浆；
（4）将步骤（2）得到的粉末状混合物加到步骤（3）得到的混合料浆中，搅拌均匀后加入喷雾干燥塔，进口温度为820-960℃，出口温度为180-220℃，得到颗粒状物料，然后过70目筛；
（5）将过筛后的物料放入模具中，由液压机以220-250Mpa 的压力压制成型， 获得生坯，将得到的生坯放入-50℃的低温箱中冷却10-16分钟；
（6）将低温冷却后的生坯浸渍于铬酸钾溶液中，维持5min后取出生坯，将生坯 在干燥箱中于30-50℃中干燥60-80min ，然后在氮气氛围中，于1350-1500℃烧结90-120min，随后冷却至室温，得到成品。
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