CN106916992B - 一种Al2O3-TiC铜基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种Al2O3‑TiC铜基复合材料，由Cu粉、Al粉、TiO2粉以及C粉通过原位生成法制得，其中Al粉的重量百分数：TiO2粉的重量百分数：C粉的重量百分数＝8～10：18～22：2～5，且Al粉、TiO2粉以及C粉的重量百分数之和为1％～10％；制得的Al2O3‑TiC铜基复合材料包括Cu、Al2O3以及TiC三相，其中Al2O3以及TiC增强体颗粒的粒度小于100nm；该铜基复合材料具有高强度、高硬度、良好的抗电弧侵蚀性能、较高的抗磨损性能以及高导电性，能够适应现阶段的工业发展需要。本申请还公开了一种Al2O3‑TiC铜基复合材料的制备方法。

Description

一种Al2O3-TiC铜基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及铜基复合材料技术领域，尤其是涉及一种Al2O3-TiC铜基复合材料及其制备方法。
背景技术
在金属材料中，铜及其合金的延展性和铸造性能均较好，有利于塑性加工且易于成形；铜的导电导热性能优异，而且对于潮湿、酸碱等恶劣环境具有相当的耐受性，因此在触头开关、发电机、变压器、太阳能加热装置等诸多领域应用极其广泛，是最重要的金属材料之一。
但是铜的耐磨性能和机械强度较差，这在某些领域限制了铜的应用，面对这些难题，许多研究者主要采用合金化方法和复合材料方法来提高铜基材料的综合性能，颗粒增强就是铜基复合材料中增强方式的重要发展方向。
颗粒增强铜基复合材料是在铜基体中添加一定量均匀分布的颗粒增强体。颗粒增强铜基复合材料的性能主要由铜基体、增强体的性能及增强体与铜基体之间的界面结构和结合特征决定。
与纯铜中添加合金元素严重降低铜的导电率一样，铜基复合材料虽然强度明显上升，但是依然要以牺牲材料的导电性能为代价，二者不可兼顾，然而传统的合金化手段在高导电的前提下对铜的强度提高有限，这一点是复合材料的优势。铜基复合材料把纯铜与增强体的优点结合起来，充分发挥出了各组成材料的优异性能，使得复合材料具有非常好的设计自由度，在显著提高强度的同时获得相对良好的导电性能。而且由于铜基体与增强体的协同作用，复合材料的室温以及高温性能都得到较好的改善。
Al2O3增强铜基复合材料是目前研究最为广泛的颗粒增强铜基复合材料，Al2O3的加入并没有过分降低Cu的导电性及导热性能，均能保持在较高水平，不仅强度高，而且还具备良好的抗电弧侵蚀能力和抗摩擦磨损能力及较高的强度。
然而现有的机械合金化法和粉末内氧化法制备出的Al2O3增强铜基复合材料并不能满足特殊性能和寿命的要求，体现在随着触头材料能量传输密度的提升以及控制部件微型化但接触面积减小、电流密度增加等应用环境越发的苛刻，对材料的抗电弧侵蚀提出了更高的要求，而现有的弥散强化铜基复合材料在抵抗高温、高压、大电弧载荷性能上不足。
因此，如何提供一种高强度、高硬度、良好的抗电弧侵蚀性能、较高的抗磨损性能以及高导电性的铜基复合材料，以适应现阶段的工业发展需要是目前本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种Al2O3-TiC铜基复合材料，该铜基复合材料具有高强度、高硬度、良好的抗电弧侵蚀性能、较高的抗磨损性能以及高导电性，能够适应现阶段的工业发展需要。本发明的另外一个目的是提供一种Al2O3-TiC铜基复合材料的制备方法。
为解决上述的技术问题，本发明提供的技术方案为：
一种Al2O3-TiC铜基复合材料，由Cu粉、Al粉、TiO2粉以及C粉通过原位生成法制得，其中Al粉的重量百分数：TiO2粉的重量百分数：C粉的重量百分数＝8～10：18～22： 2～5，且Al粉、TiO2粉以及C粉的重量百分数之和为1％～10％；
制得的Al2O3-TiC铜基复合材料包括Cu、Al2O3以及TiC三相，其中Al2O3以及TiC 增强体颗粒的粒度小于100nm。
优选的，所述Cu粉的粒度为300目～500目；所述Al粉的粒度为300目～500目；所述TiO2粉的粒度为300目～500目；所述C粉的粒度为500目～800目。
一种上述的Al2O3-TiC铜基复合材料的制备方法，将Al粉、TiO2粉、C粉与Cu粉混合，其中Al粉的重量百分数：TiO2粉的重量百分数：C粉的重量百分数＝8～10：18～22： 2～5，且Al粉、TiO2粉以及C粉的重量百分数之和为1％～10％；
然后将粉末混合物进行湿法球磨，然后进行干燥，然后将干燥产物装入石墨模具中在SPS放电等离子烧结炉中进行烧结，得到Al2O3-TiC铜基复合材料；
制得的Al2O3-TiC铜基复合材料包括Cu、Al2O3以及TiC三相，其中Al2O3以及TiC 增强体颗粒的粒度小于100nm。
优选的，所述Cu粉的粒度为300目～500目；所述Al粉的粒度为300目～500目；所述TiO2粉的粒度为300目～500目；所述C粉的粒度为500目～800目。
优选的，烧结压力为40～50MPa，烧结保温温度为850～1000℃、烧结保温时间为10～30min。
有益的技术效果：
1.本申请采用在Cu-Al-TiO2-C体系下通过原位生成法制得Al2O3-TiC弥散颗粒增强铜基复合材料；由于原位生成了Al2O3以及TiC双弥散增强体颗粒，实现了Al2O3以及TiC双弥散颗粒增强，相比于Al2O3单颗粒增强具有更高的增强效果；且原位生成的Al2O3以及TiC颗粒增强体与Cu基体间的界面结合较好，实现了颗粒增强体的均匀弥散分布，提高了增强体与基体之间的界面结合；且Al2O3以及TiC增强体颗粒的粒度小于100nm，虽然Al2O3以及TiC颗粒属于颗粒类增强体，但是由于其粒度小于100nm，增强机理属于弥散增强机理，达到了一种弥散增强加颗粒增强的叠加协同效果，提高了Al2O3以及TiC 颗粒的增强效果；从而既保留了铜基体的许多性能优点，例如具有高导电性，又使得该铜基复合材料具有高强度、高硬度、良好的抗电弧侵蚀性能以及较高的抗磨损性能，能够适应现阶段的工业发展需要。
2.本申请提供的Al2O3-TiC铜基复合材料的制备方法，具有操作简单、工艺条件容易控制，生产成本较低等特点。
附图说明
图1为本发明实施例中不同Al粉+TiO2粉+C粉含量烧结的Al2O3-TiC铜基复合材料的X射线衍射谱。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是进一步说明本发明的特征及优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本申请提供了一种Al2O3-TiC铜基复合材料，由Cu粉、Al粉、TiO2粉以及C粉通过原位生成法制得，其中Al粉的重量百分数：TiO2粉的重量百分数：C粉的重量百分数＝8～ 10：18～22：2～5，且Al粉、TiO2粉以及C粉的重量百分数之和为1％～10％；
制得的Al2O3-TiC铜基复合材料包括Cu、Al2O3以及TiC三相，其中Al2O3以及TiC 增强体颗粒的粒度小于100nm。
在本申请的一个实施例中，所述Cu粉的粒度为300目～500目；所述Al粉的粒度为300目～500目；所述TiO2粉的粒度为300目～500目；所述C粉的粒度为500目～ 800目。
本申请还提供了一种上述的Al2O3-TiC铜基复合材料的制备方法，将Al粉、TiO2粉、C粉与Cu粉混合，其中Al粉的重量百分数：TiO2粉的重量百分数：C粉的重量百分数＝8～10：18～22：2～5，且Al粉、TiO2粉以及C粉的重量百分数之和为1％～10％；
然后将粉末混合物进行湿法球磨，然后进行干燥，然后将干燥产物装入石墨模具中在SPS放电等离子烧结炉中进行烧结，得到Al2O3-TiC铜基复合材料；
制得的Al2O3-TiC铜基复合材料包括Cu、Al2O3以及TiC三相，其中Al2O3以及TiC 增强体颗粒的粒度小于100nm。
在本申请的一个实施例中，所述Cu粉的粒度为300目～500目；所述Al粉的粒度为300目～500目；所述TiO2粉的粒度为300目～500目；所述C粉的粒度为500目～ 800目。
在本申请的一个实施例中，在SPS放电等离子烧结炉中的烧结过程中，烧结压力为40～50MPa，烧结保温温度为850～1000℃、烧结保温时间为10～30min。
本申请中Cu-Al-TiO2-C体系的总反应式为：
4Al+3TiO2+3C＝2Al2O3+3TiC。
本申请中的C粉优选为石墨粉。
本申请中，TiC粒子具有优异的高温强度、优良的抗电弧侵蚀性能和较高的抗磨损性能，超高熔点以及相对较低的密度。因此TiC作为外加增强体加入Al2O3/Cu复合材料中在导电、高温、抗电弧侵蚀、磨损等恶劣环境中具有很好的利用价值。
本申请采用在Cu-Al-TiO2-C体系下通过原位生成法制得Al2O3-TiC弥散颗粒增强铜基复合材料；由于原位生成了Al2O3以及TiC双弥散增强体颗粒，实现了Al2O3以及TiC 双弥散颗粒增强，相比于Al2O3单颗粒增强具有更高的增强效果；且原位生成的Al2O3以及TiC颗粒增强体与Cu基体间的界面结合较好，实现了颗粒增强体的均匀弥散分布，提高了增强体与基体之间的界面结合；且Al2O3以及TiC增强体颗粒的粒度小于100nm，虽然Al2O3以及TiC颗粒属于颗粒类增强体，但是由于其粒度小于100nm，增强机理属于弥散增强机理，达到了一种弥散增强加颗粒增强的叠加协同效果，提高了Al2O3以及TiC 颗粒的增强效果；从而既保留了铜基体的许多性能优点，例如具有高导电性，又使得该铜基复合材料具有高强度、高硬度、良好的抗电弧侵蚀性能以及较高的抗磨损性能，能够适应现阶段的工业发展需要。
本申请提供的Al2O3-TiC铜基复合材料的制备方法，具有操作简单、工艺条件容易控制，生产成本较低等特点。
本发明对上述方法中未提及的处理设备及工艺参数没有限制，采用本技术领域内技术人员熟知的处理设备及工艺参数即可。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种Al2O3-TiC铜基复合材料及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
本实施例中Al粉、TiO2粉以及C粉的重量百分数之和为1％；
将平均颗粒尺寸为300目的Al粉0.084g、300目的Cu粉29.7g、300目的金红石型超细TiO2粉末0.188g以及粒径为800目的石墨粉0.028g在研钵中手动研磨5min，之后放入球磨罐中在行星式球磨机上湿法球磨10小时；
然后进行干燥；
然后将干燥产物装入石墨模具中在SPS放电等离子烧结炉中进行烧结，烧结时升温速率为80℃/min，烧结压力为45MPa，加热到980℃后保持压力并保温10min，然后保持压力随炉冷却，得到Al2O3-TiC铜基复合材料。
烧结产物经XRD物相分析为Cu、Al2O3、TiC三相，制备的Al2O3-TiC铜基复合材料的维氏硬度为170HV，抗拉强度为551MPa，延伸率为20％，导电率为87％IACS。
实施例2
本实施例中Al粉、TiO2粉以及C粉的重量百分数之和为2％；
将平均颗粒尺寸为300目的Al粉0.169g、300目的Cu粉29.4g、300目的金红石型超细TiO2粉末0.375g以及粒径为700目的石墨粉0.056g在研钵中手动研磨5min，之后放入球磨罐中在行星式球磨机上湿法球磨8小时；
然后进行干燥；
然后将干燥产物装入石墨模具中在SPS放电等离子烧结炉中进行烧结，烧结时升温速率为80℃/min，烧结压力为50MPa，加热到1000℃后保持压力并保温25min，然后保持压力随炉冷却，得到Al2O3-TiC铜基复合材料。
烧结产物经XRD物相分析为Cu、Al2O3、TiC三相，制备的Al2O3-TiC铜基复合材料维氏硬度为172HV，抗拉强度为558MPa，延伸率为18％，导电率为85％IACS。
实施例3
本实施例中Al粉、TiO2粉以及C粉的重量百分数之和为3％；
将平均颗粒尺寸为300目的Al粉0.253g、300目的Cu粉29.1g、400目的金红石型超细TiO2粉末0.563g以及粒径为700目的石墨粉0.084g在研钵中手动研磨5min，之后放入球磨罐中在行星式球磨机上湿法球磨12小时；
然后进行干燥；
然后将干燥产物装入石墨模具中在SPS放电等离子烧结炉中进行烧结，烧结时升温速率为80℃/min，烧结压力为40MPa，加热到980℃后保持压力并保温20min，然后保持压力随炉冷却，得到Al2O3-TiC铜基复合材料。
烧结产物经XRD物相分析为Cu、Al2O3、TiC三相，制备的Al2O3-TiC铜基复合材料维氏硬度为176HV，抗拉强度为563MPa，延伸率为17％，导电率为83％IACS。
实施例4
本实施例中Al粉、TiO2粉以及C粉的重量百分数之和为4％；
将平均颗粒尺寸为300目的Al粉0.338g、300目的Cu粉28.8g、400目的金红石型超细TiO2粉末0.75g以及粒径为700目的石墨粉0.112g在研钵中手动研磨5min，之后放入球磨罐中在行星式球磨机上湿法球磨16小时；
然后进行干燥；
然后将干燥产物装入石墨模具中在SPS放电等离子烧结炉中进行烧结，烧结时升温速率为80℃/min，烧结压力为45MPa，加热到950℃后保持压力并保温15min，然后保持压力随炉冷却，得到Al2O3-TiC铜基复合材料。
烧结产物经XRD物相分析为Cu、Al2O3、TiC三相，制备的Al2O3-TiC铜基复合材料维氏硬度为177HV，抗拉强度为568MPa，延伸率为16％，导电率为82％IACS。
实施例5
本实施例中Al粉、TiO2粉以及C粉的重量百分数之和为5％；
将平均颗粒尺寸为300目的Al粉0.422g、400目的Cu粉28.5g、500目的金红石型超细TiO2粉末0.938g以及粒径为800目的石墨粉0.141g在研钵中手动研磨5min，之后放入球磨罐中在行星式球磨机上湿法球磨16小时；
然后进行干燥；
然后将干燥产物装入石墨模具中在SPS放电等离子烧结炉中进行烧结，烧结时升温速率为80℃/min，烧结压力为45MPa，加热到950℃后保持压力并保温15min，然后保持压力随炉冷却，得到Al2O3-TiC铜基复合材料。
烧结产物经XRD物相分析为Cu、Al2O3、TiC三相，制备的Al2O3-TiC铜基复合材料维氏硬度为180HV，抗拉强度为574MPa，延伸率为14％，导电率为80％IACS。
实施例6
本实施例中Al粉、TiO2粉以及C粉的重量百分数之和为6％；
将平均颗粒尺寸为500目的Al粉0.506g、300目的Cu粉28.2g、400目的金红石型超细TiO2粉末1.125g以及粒径为600目的石墨粉0.169g在研钵中手动研磨5min，之后放入球磨罐中在行星式球磨机上湿法球磨16小时；
然后进行干燥；
然后将干燥产物装入石墨模具中在SPS放电等离子烧结炉中进行烧结，烧结时升温速率为80℃/min，烧结压力为45MPa，加热到950℃后保持压力并保温15min，然后保持压力随炉冷却，得到Al2O3-TiC铜基复合材料。
烧结产物经XRD物相分析为Cu、Al2O3、TiC三相，制备的Al2O3-TiC铜基复合材料维氏硬度为181HV，抗拉强度为578MPa，延伸率为12％，导电率为76％IACS。
实施例7
本实施例中Al粉、TiO2粉以及C粉的重量百分数之和为7％；
将平均颗粒尺寸为300目的Al粉0.591g、300目的Cu粉27.9g、300目的金红石型超细TiO2粉末1.313g以及粒径为500目的石墨粉0.197g在研钵中手动研磨5min，之后放入球磨罐中在行星式球磨机上湿法球磨16小时；
然后进行干燥；
然后将干燥产物装入石墨模具中在SPS放电等离子烧结炉中进行烧结，烧结时升温速率为80℃/min，烧结压力为45MPa，加热到950℃后保持压力并保温15min，然后保持压力随炉冷却，得到Al2O3-TiC铜基复合材料。
烧结产物经XRD物相分析为Cu、Al2O3、TiC三相，制备的Al2O3-TiC铜基复合材料维氏硬度为182HV，抗拉强度为582MPa，延伸率为10％，导电率为73％IACS。
实施例8
本实施例中Al粉、TiO2粉以及C粉的重量百分数之和为8％；
将平均颗粒尺寸为300目的Al粉0.675g、500目的Cu粉27.6g、400目的金红石型超细TiO2粉末1.5g以及粒径为600目的石墨粉0.225g在研钵中手动研磨5min，之后放入球磨罐中在行星式球磨机上湿法球磨16小时；
然后进行干燥；
然后将干燥产物装入石墨模具中在SPS放电等离子烧结炉中进行烧结，烧结时升温速率为80℃/min，烧结压力为45MPa，加热到950℃后保持压力并保温15min，然后保持压力随炉冷却，得到Al2O3-TiC铜基复合材料。
烧结产物经XRD物相分析为Cu、Al2O3、TiC三相，制备的Al2O3-TiC铜基复合材料维氏硬度为184HV，抗拉强度为587MPa，延伸率为9％，导电率为72％IACS。
实施例9
本实施例中Al粉、TiO2粉以及C粉的重量百分数之和为9％；
将平均颗粒尺寸为400目的Al粉0.759g、300目的Cu粉27.3g、500目的金红石型超细TiO2粉末1.688g以及粒径为500目的石墨粉0.253g在研钵中手动研磨5min，之后放入球磨罐中在行星式球磨机上湿法球磨16小时；
然后进行干燥；
然后将干燥产物装入石墨模具中在SPS放电等离子烧结炉中进行烧结，烧结时升温速率为80℃/min，烧结压力为45MPa，加热到950℃后保持压力并保温15min，然后保持压力随炉冷却，得到Al2O3-TiC铜基复合材料。
烧结产物经XRD物相分析为Cu、Al2O3、TiC三相，制备的Al2O3-TiC铜基复合材料维氏硬度为184HV，抗拉强度为590MPa，延伸率为5％，导电率为70％IACS。
实施例10
本实施例中Al粉、TiO2粉以及C粉的重量百分数之和为10％；
将平均颗粒尺寸为300目的Al粉0.844g、400目的Cu粉27g、500目的金红石型超细TiO2粉末1.875g以及粒径为800目的石墨粉0.281g在研钵中手动研磨5min，之后放入球磨罐中在行星式球磨机上湿法球磨16小时；
然后进行干燥；
然后将干燥产物装入石墨模具中在SPS放电等离子烧结炉中进行烧结，烧结时升温速率为80℃/min，烧结压力为45MPa，加热到950℃后保持压力并保温15min，然后保持压力随炉冷却，得到Al2O3-TiC铜基复合材料。
烧结产物经XRD物相分析为Cu、Al2O3、TiC三相，制备的Al2O3-TiC铜基复合材料维氏硬度为185HV，抗拉强度为595MPa，延伸率为5％，导电率为70％IACS。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对于这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本文所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (2)

1.一种Al2O3-TiC铜基复合材料，其特征在于，由Cu粉、Al粉、TiO2粉以及C粉通过原位生成法制得，其中Al粉的重量百分数：TiO2粉的重量百分数：C粉的重量百分数＝8～10：18～22：2～5，且Al粉、TiO2粉以及C粉的重量百分数之和为1％～10％；
制得的Al2O3-TiC铜基复合材料包括Cu、Al2O3以及TiC三相，其中Al2O3以及TiC增强体颗粒的粒度小于100nm；
所述Cu粉的粒度为300目～500目；所述Al粉的粒度为300目～500目；所述TiO2粉的粒度为300目～500目；所述C粉的粒度为500目～800目。
2.一种权利要求1所述的Al2O3-TiC铜基复合材料的制备方法，其特征在于，将Al粉、TiO2粉、C粉与Cu粉混合，其中Al粉的重量百分数：TiO2粉的重量百分数：C粉的重量百分数＝8～10：18～22：2～5，且Al粉、TiO2粉以及C粉的重量百分数之和为1％～10％；
然后将粉末混合物进行湿法球磨，然后进行干燥，然后将干燥产物装入石墨模具中在SPS放电等离子烧结炉中进行烧结，得到Al2O3-TiC铜基复合材料；
制得的Al2O3-TiC铜基复合材料包括Cu、Al2O3以及TiC三相，其中Al2O3以及TiC增强体颗粒的粒度小于100nm；
所述Cu粉的粒度为300目～500目；所述Al粉的粒度为300目～500目；所述TiO2粉的粒度为300目～500目；所述C粉的粒度为500目～800目；
烧结压力为40～50MPa，烧结保温温度为850～1000℃、烧结保温时间为10～30min。
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