CN106521223A - 碳化钛/铜基复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属基复合材料领域，特别是指一种碳化钛/铜基复合材料的制备方法。一种碳化钛/铜基复合材料的制备方法，是以淀粉纤维素压制碳化得到的多孔炭坯体为预制体，在预制体的孔隙中渗入铜钛合金。本发明采用无压熔渗方法，工艺简单，成本低廉，易于实现工业化，能制备出具有高导电性、高导热性和优异耐磨性的碳化钛/铜基复合材料。

Description

碳化钛/铜基复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及金属基复合材料领域，特别是指一种碳化钛/铜基复合材料的制备方法。
背景技术
随着当今科技的迅速发展，采用单一材料来满足人们生产和工作需要已经日趋困难，复合材料的研制和开发成为了当前材料科学与工程中的重要内容。陶瓷颗粒增强金属基复合材料是由金属相和脆性的陶瓷相组合成的一种典型的复合材料，它最早出现于二次世界大战后期及其结束后的一段时间，是在对高温高强材料的迫切要求形势下发展起来的。金属基复合材料受到重视的原因在于复合材料中的金属相可以将耐热性好，硬度大但不耐冲击的金属氧化物、碳化物、氮化物等陶瓷相粘结在一起，在外力作用下金属基体产生的一定塑性变形或晶界位移产生的蠕变吸收部分能量，缓解应力集中，达到增加韧性的目的。后来的研究表明，除此之外，金属陶瓷复合材料的增强增韧机理还包括裂纹偏西、绕道、分枝和钉扎等机理的综合作用。陶瓷相增强金属基复合材料在功效、可靠性和力学性能方面比传统金属合金优越，具有高强度、高硬度和优良的耐磨性。目前，陶瓷颗粒增强金属基复合材料已经替代了传统金属材料或传统合金材料在航空、航天、交通运输业等许多特定应用领域得到应用，并逐渐走向工业化的规模生产。
近年来，由于铜的电导率极高，铜基复合材料在电热材料领域特别是作为电极材料得到了广泛的应用。但因为铜熔点偏低，使用过程中易变形，耐久性差。为了解决这一问题，陶瓷相增强金属基复合材料越来越多被用于电极材料，特别是碳化钛增强铜基复合材料。选用碳化钛作为增强相的原因是其硬度高(HV=28–35GPa)， 酸性环境中耐腐蚀，高熔点(Tm=3067 ℃)，好的热稳定性，并且有接近金属的电导率(σRT=53–68 1/μΩ•cm)。研究人员发现由TiC和Cu组成的复合材料综合了两者的优异性能，在导电、导热材料、耐磨材料及火箭喉衬用材料领域有广泛应用价值。
在过去十几年中，研究人员开发出多种制备TiC/Cu复合材料的方法，以粉末冶金法、机械合金化法和压力熔渗法最为常见。粉末冶金法是制备金属陶瓷复合材料的常用方法。将TiC粉和Cu粉末混合在一起，由于Cu粉的塑性好，变形能力强，在压制压力的作用下两种粉末通过金属Cu颗粒变形的机械咬合作用粘接在一起，形成具有一定密度的预制坯，再经过烧结得到较为致密的材料。由于TiC和Cu的相互溶解度很小，这不利于形成良好的界面结合， 采用在TiC涂覆铜层来改善TiC/Cu复合材料导电性能。尽管粉末冶金方法有成分可控、工艺简单等很多优点，但是，这一方法成型效率低、成本高，需要在粉末表面涂覆以改善性能，否则制备得到的复合材料微观缺陷较多。
机械合金化制备的TiC/Cu混合粉比表面积大，拥有较大的畸变能，增大了烧结驱动力，可促进实现较低温度下的烧结。目前，机械合金化制备TiC/Cu混合粉的缺点是长时间的球磨带来的杂质含量增加，这将给材料的性能带来不利的影响。
采用压力熔渗方法可以在短时间中制造出致密的高温组织材料，但Cu对TiC的润湿性较差，即使在真空状态下1200℃下润湿角仍达到109度，因此需要较高的成型温度和熔渗压力，使得熔渗法制备TiC/Cu复合材料复杂而昂贵。但如果陶瓷相是由合金液和固相坯体原位反应生成的，则可以大幅降低制备时间和熔融温度。反应熔渗是一种原位制备过程，通过合金熔体自发熔渗进入多孔坯体并发生化学反应生成复合材料。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种制备工艺方法简单、成本低廉、提高性能、拓展应用领域的碳化钛/铜基复合材料及制备方法。
本发明所采用的技术方案是：碳化钛/铜基复合材料的制备方法，以淀粉纤维素压制碳化得到的多孔炭坯体为预制体，在预制体的孔隙中渗入铜钛合金。
作为一种优选方式，其详细制作过程为：按照如下的步骤进行
步骤一、取淀粉纤维素压制得到多孔坯体；
步骤二、将多孔坯体放置于真空炉中，在真空度低于10Pa的环境中于800℃保温30分钟，碳化得到多孔炭坯体的预制体；
步骤三、配制Cu粉和Ti粉混合的熔渗剂，其中Ti粉质量百分比为35-50%；
步骤四、用步骤三的熔渗剂粉末包埋步骤二的预制体，放置于刚玉坩埚中，在真空条件下，于1200℃进行无压熔渗，所得产物即为碳化钛/铜复合材料。
作为一种优选方式：步骤一中，淀粉纤维素为羧甲基纤维素钠粉末和聚酯酸锌的混合物，混合物中聚酯酸锌的质量占5%，压制得到的多孔坯体密度为0.9-1.3g/cm3。
作为一种优选方式：步骤三中，Cu粉和Ti粉混合的熔渗剂中Ti粉质量百分比为35-50%。
本发明的有益效果是：通过添加Ti元素，使铜合金基体与炭坯体之间具有良好的浸润性和结合性，无需对碳预制件涂层，不但实现了无压熔渗，简化了工艺，而且使铜合金能充分填充炭坯体内的孔隙并最终形成网络状连续分布的铜合金基体，使该复合材料具有更好的导电性、冲击强度和摩擦磨损性能；铜钛合金与炭坯体反应熔渗生成的碳化钛不但显著提高复合材料的力学性能，而且作为陶瓷增强相降低了材料的磨损率；改变Ti粉质量百分比可调整金属基体结构、控制复合材料中TiC含量进而调控材料的摩擦和导电性能，制备特定的碳化钛增强铜合金复合材料，用作摩阻材料、电刷材料、烧蚀材料、各种滑动轴瓦、滑块乃至生物材料。与其它铜基复合材料制备方法相比，本发明采用无压熔渗方法，工艺简单，成本低廉，易于实现工业化，能制备出具有高导电性、导热性和优异耐磨性的碳化钛/铜基复合材料。
具体实施方式
实施例1
秤取羧甲基纤维素钠粉末混合质量分数为5%的聚酯酸锌，压制成0.9 g/cm3的多孔预制体，在800℃进行真空碳化处理得到多孔炭坯体；配制Cu/Ti质量比为7：3的熔渗剂；用配制好的熔渗剂包埋炭坯体，在真空条件下，1200℃保温30min， 制备得到碳化钛/铜复合材料。
实施例2
秤取羧甲基纤维素钠粉末混合质量分数为5%的聚酯酸锌，压制成1.1 g/cm3的多孔预制体，在800℃进行真空碳化处理得到多孔炭坯体；配制Cu/Ti质量比为6：4的熔渗剂；用配制好的熔渗剂包埋炭坯体，在真空条件下，1200℃保温30min， 制备得到碳化钛/铜复合材料。
其主要性能指标如下表所示：
实施例3
秤取羧甲基纤维素钠粉末混合质量分数为5%的聚酯酸锌，压制成1.3 g/cm3的多孔预制体，在800℃进行真空碳化处理得到多孔炭坯体；配制Cu/Ti质量比为5：5的熔渗剂；用配制好的熔渗剂包埋炭坯体，在真空条件下，1200℃保温30min， 制备得到碳化钛/铜复合材料。
其主要性能指标如下表所示：
本发明在实现过程中保持多孔预制体（羧甲基纤维素钠粉末和聚酯酸锌的混合物）密度为0.9-1.3g/cm3是使铜合金能充分填充炭坯体内的孔隙并最终形成网络状连续分布的铜合金基体的关键，密度太大或者太小都会造成填充后不能形成网络状连续分布的铜合金基体，因此选择合适的淀粉纤维素才能满足本发明需要。

Claims (4)

1.碳化钛/铜基复合材料的制备方法，其特征在于：以淀粉纤维素压制碳化得到的多孔炭坯体为预制体，在预制体的孔隙中渗入铜钛合金。
2.根据权利要求1所述的碳化钛/铜基复合材料的制备方法，其特征在于：按照如下的步骤进行
步骤一、取淀粉纤维素压制得到多孔坯体；
步骤二、将多孔坯体放置于真空炉中，在真空度低于10Pa的环境中于800℃保温30分钟，碳化得到多孔炭坯体的预制体；
步骤三、配制Cu粉和Ti粉混合的熔渗剂，其中Ti粉质量百分比为35-50%；
步骤四、用步骤三的熔渗剂粉末包埋步骤二的预制体，放置于刚玉坩埚中，在真空条件下，于1200℃进行无压熔渗，所得产物即为碳化钛/铜复合材料。
3.根据权利要求2所述的碳化钛/铜基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤一中，淀粉纤维素为羧甲基纤维素钠粉末和聚酯酸锌的混合物，混合物中聚酯酸锌的质量占5%，压制得到的多孔坯体密度为0.9-1.3g/cm3。
4.根据权利要求2所述的碳化钛/铜基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤三中，Cu粉和Ti粉混合的熔渗剂中Ti粉质量百分比为35-50%。
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