CN108251681A - 一种非均匀结构二硼化钛/铜复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非均匀结构二硼化钛/铜复合材料的制备方法，具体为：分别称取Cu粉、Ti粉、B粉，首先将Ti粉与部分Cu粉球磨为复合粉末，然后对复合粉末与B粉和剩余的Cu粉进行机械混粉，混合均匀；混合均匀的粉末冷压成型，得到压坯；对压坯进行热压烧结，随炉冷却至室温，即得到TiB2增强铜基复合材料。本发明还公开了采用上述方法制备得到的复合材料。本发明制备的二硼化钛/铜复合材料中，TiB2增强体在基体中呈非均匀分布状态，其微观组织结构为增强体富集区和贫化区两种组织的混合状态，使得复合材料保持较高导电率的同时，增强了复合材料的强度和韧性。

Description

一种非均匀结构二硼化钛/铜复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于金属基复合材料制备技术领域，具体涉及一种非均匀结构二硼化钛/铜复合材料，本发明还涉及上述非均匀结构二硼化钛/铜复合材料的制备方法。
背景技术
金属基复合材料中增强体的分布状态是影响金属基复合材料性能的重要因素，通常认为均匀弥散分布的增强体有利于提高复合材料的强度。然而，对于铜基复合材料，其力学性能和导电性能的匹配成为衡量此类材料性能的综合指标。作为电工材料应用的铜基复合材料要求其具有高强度的同时，应具有更好的韧性和导电性能。因此，传统的均匀弥散铜基复合材料难以同时满足以上性能要求。
研究表明，具有非均匀结构的金属基复合材料可以达到强度和韧性同时提高的效果。此外，相对于均匀弥散结构，具有非均匀结构的铜基复合材料具有更高的导电率。因此，通过控制铜基复合材料中增强体的非均匀分布状态，有利于发掘颗粒增强铜基复合材料的潜力，进而实现复合材料综合性能的优化配置。
发明内容
本发明的目的是提供一种非均匀结构二硼化钛/铜复合材料的制备方法，以提高铜基复合材料的韧性和导电性能。
本发明的另一目的是提供一种非均匀结构二硼化钛/铜复合材料。
本发明所采用的技术方案是，一种非均匀结构二硼化钛/铜复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，分别称取Cu粉、Ti粉、B粉，首先将Ti粉与部分Cu粉球磨为复合粉末，然后对复合粉末与B粉和剩余的Cu粉进行机械混粉，混合均匀；
步骤2，将步骤1混合均匀的粉末冷压成型，得到压坯；
步骤3，对步骤2得到的压坯进行热压烧结，随炉冷却至室温，即得到TiB2增强铜基复合材料。
本发明特点还在于，
步骤1中Cu粉、Ti粉、B粉的质量比为97～98:1.38～2.07:0.62～0.93。
步骤1中球磨中Cu粉的用量为其总量的10～90wt.％。
步骤1中球磨参数为：球磨时间为6～12h，转速为300～400rpm，球料比为10～20:1。
步骤1中机械混粉采用振动式混粉机，混粉过程中振动频率为30～60Hz，混粉时间为5～10h。
步骤1中机械混粉过程中，粉末质量是所用磨球质量的3～5倍。
步骤2中冷压成型的压制压力为300～400Mpa，保压时间为25～35s。
步骤3中热压烧结具体为：首先以20℃/min的速度升温至900～950℃，保温20～40min，随后再以10℃/min升温至1000～1060℃，在25～30Mpa的压力下保温1～2h。
步骤3中TiB2增强铜基复合材料中，TiB2增强体在基体中呈非均匀分布状态，其微观组织结构为增强体富集区和贫化区两种组织的混合状态。
本发明所采用的另一技术方案是，采用上述方法制备得到的非均匀结构二硼化钛/铜复合材料。
本发明的有益效果是，本发明制备的二硼化钛/铜复合材料中，TiB2增强体在基体中呈非均匀分布状态，其微观组织结构为增强体富集区和贫化区两种组织的混合状态，一方面增强体富集区提高了复合材料的强度；另一方面，增强体贫化区可承受更多塑性变形进而提高复合材料的韧性，同时该区域中增强体对Cu基体晶格参数的影响较小，更有利于使复合材料保持在较高的电导率。因此，上述非均匀结构可使铜基复合材料具有更优的强度、韧性和导电率。
附图说明
图1是本发明实施例1制得的复合材料的微观组织照片；
图2是本发明实施例2制得的复合材料的微观组织照片；
图3是本发明实施例4制得的复合材料的微观组织照片；
图4是本发明实施例5制得的复合材料的微观组织照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种非均匀结构二硼化钛/铜复合材料的制备方法，首先按照一定比例称取Cu粉、Ti粉和B粉，将Ti粉和部分Cu粉球磨，球磨后的复合粉末再与B粉和剩余Cu粉机械混合，再将混合后的粉末进行预压制形成压坯，最后将坯块进行热压烧结制得铜基复合材料。
具体按照以下步骤实施：
步骤1，称量：
按照Cu粉、Ti粉、B粉的质量比为(97～98):(1.38～2.07):(0.62～0.93)称取三种粉末。
步骤2，高能球磨：
将全部Ti粉和10～90wt.％的Cu粉置于行星式球磨机中进行高能球磨，球磨时间为6～12h，转速设定为300～400rpm，球料比为10～20:1。
步骤3，机械混粉：
采用振动混粉将步骤2所得复合粉末与步骤1称量的B粉及剩余Cu粉机械混合，振动频率为30～60Hz，混粉时间为5～10h，粉末质量是所用磨球质量的3～5倍。
步骤4，冷压制坯：
将步骤3所得混合粉末装入不锈钢模具中，采用液压机在300～400Mpa压制25～35s，冷压成型，得到压坯。
步骤5，热压烧结：
将步骤3所得压坯放入石墨模具中进行热压烧结，烧结过程中通入氮气，首先以20℃/min的速度升温至900～950℃，保温20～40min，随后再以10℃/min升温至1000～1060℃，在25～30Mpa的压力下保温1～2h，然后关闭电源，随炉冷却至室温，即制得TiB2增强铜基复合材料。
本发明制得的二硼化钛/铜复合材料中，TiB2增强体在基体中呈非均匀分布状态，其微观组织结构为增强体富集区和贫化区两种组织的混合状态，一方面增强体富集区提高了复合材料的强度；另一方面，增强体贫化区可承受更多塑性变形进而提高复合材料的韧性，同时该区域中增强体对Cu基体晶格参数的影响较小，更有利于使复合材料保持在较高的电导率。因此，特定的非均匀结构可使铜基复合材料具有更优的强度、韧性和导电率。
实施例1
按照Cu粉、Ti粉、B粉的质量比为97:2.07:0.93的比例称取三种粉末。先采用高能球磨的方法将10wt.％Cu粉和全部Ti粉均匀混合制备出Cu-Ti复合粉末，然后采用机械混粉的方法将球磨后的复合粉末、B粉及剩余Cu粉进行混合。球磨时间为6h，转速设定为400rpm，球料比为10:1；机械混粉过程中振动频率为60Hz，混粉时间为5h，球料比为1:3。称取所需质量的混合粉末，装入不锈钢模具中，采用液压机进行冷压成型，压制压力为300Mpa，保压35s，得到压坯。将装有压坯的石墨模具放入热压烧结炉中进行加压烧结，烧结过程中通入氮气。首先以20℃/min的速度升温至900℃，保温20min，随后再以10℃/min升温至1000℃，在25Mpa的压力下保温2h，然后关闭电源，随炉冷却至室温，即制得TiB2增强铜基复合材料。
本实施例的复合材料的组织分布如图1所示，TiB2增强体呈局部富集的非均匀状态，且增强体贫化区在基体中所占比例较大，该复合材料的导电率可达到74.1％IACS。
实施例2
按照Cu粉、Ti粉、B粉的质量比为97:2.07:0.93的比例称取三种粉末。先采用高能球磨的方法将30wt.％Cu粉和全部Ti粉均匀混合制备出Cu-Ti复合粉末，然后采用机械混粉的方法将球磨后的复合粉末、B粉及剩余Cu粉进行混合。球磨时间为8h，转速设定为400rpm，球料比为15:1；机械混粉过程中振动频率为50Hz，混粉时间为6h，球料比为1:3。称取所需质量的混合粉末，装入不锈钢模具中，采用液压机进行冷压成型，压制压力为350Mpa，保压30s，得到压坯。将装有压坯的石墨模具放入热压烧结炉中进行加压烧结，烧结过程中通入氮气。首先以20℃/min的速度升温至900℃，保温20min，随后再以10℃/min升温至1020℃，在27Mpa的压力下保温1.5h，然后关闭电源，随炉冷却至室温，即制得TiB2增强铜基复合材料。
图2为本实施例的复合材料的微观组织状态，由于参与球磨的Cu粉比例增加，增强体富集区在基体中的覆盖率增高，此时复合材料的导电率为73.4％IACS。
实施例3
按照Cu粉、Ti粉、B粉的质量比为97:2.07:0.93的比例称取三种粉末。先采用高能球磨的方法将50wt.％Cu粉和全部Ti粉均匀混合制备出Cu-Ti复合粉末，然后采用机械混粉的方法将球磨后的复合粉末、B粉及剩余Cu粉进行混合。球磨时间为10h，转速设定为350rpm，球料比为20:1；机械混粉过程中振动频率为50Hz，混粉时间为8h，球料比为1:3。称取所需质量的混合粉末，装入不锈钢模具中，采用液压机进行冷压成型，压制压力为350Mpa，保压30s，得到压坯。将装有压坯的石墨模具放入热压烧结炉中进行加压烧结，烧结过程中通入氮气。首先以20℃/min的速度升温至920℃，保温30min，随后再以10℃/min升温至1040℃，在27Mpa的压力下保温1.5h，然后关闭电源，随炉冷却至室温，即制得TiB2增强铜基复合材料。
本实施例的复合材料的组织分布状态与实施例2类似，此时复合材料的导电率为69.8％IACS。
实施例4
按照Cu粉、Ti粉、B粉的质量比为98:1.38:0.62的比例称取三种粉末。先采用高能球磨的方法将70wt.％Cu粉和全部Ti粉均匀混合制备出Cu-Ti复合粉末，然后采用机械混粉的方法将球磨后的复合粉末、B粉及剩余Cu粉进行混合。球磨时间为10h，转速设定为350rpm，球料比为20:1；机械混粉过程中振动频率为40Hz，混粉时间为10h，球料比为1:5。称取所需质量的混合粉末，装入不锈钢模具中，采用液压机进行冷压成型，压制压力为400Mpa，保压25s，得到压坯。将装有压坯的石墨模具放入热压烧结炉中进行加压烧结，烧结过程中通入氮气。首先以20℃/min的速度升温至950℃，保温30min，随后再以10℃/min升温至1040℃，在30Mpa的压力下保温1h，然后关闭电源，随炉冷却至室温，即制得TiB2增强铜基复合材料。
本实施例的复合材料的组织分布如图3所示，可以看出随着先球磨Cu粉比例的增加，微观组织分布呈规律性变化，此时复合材料的导电率为66.4％IACS。
实施例5
按照Cu粉、Ti粉、B粉的质量比为98:1.38:0.62的比例称取三种粉末。先采用高能球磨的方法将90wt.％Cu粉和全部Ti粉均匀混合制备出Cu-Ti复合粉末，然后采用机械混粉的方法将球磨后的复合粉末、B粉及剩余Cu粉进行混合。球磨时间为12h，转速设定为300rpm，球料比为20:1；机械混粉过程中振动频率为30Hz，混粉时间为10h，球料比为1:5。称取所需质量的混合粉末，装入不锈钢模具中，采用液压机进行冷压成型，压制压力为400Mpa，保压25s，得到压坯。将装有压坯的石墨模具放入热压烧结炉中进行加压烧结，烧结过程中通入氮气。首先以20℃/min的速度升温至950℃，保温40min，随后再以10℃/min升温至1060℃，在30Mpa的压力下保温1h，然后关闭电源，随炉冷却至室温，即制得TiB2增强铜基复合材料。
本实施例的复合材料的组织分布如图4所示，增强体分布宏观上趋于均匀化，此时复合材料的导电率为64.1％IACS。
实施例6
按照Cu粉、Ti粉、B粉的质量比为97.3:1.86:0.84的比例称取三种粉末。先采用高能球磨的方法将80wt.％Cu粉和全部Ti粉均匀混合制备出Cu-Ti复合粉末，然后采用机械混粉的方法将球磨后的复合粉末、B粉及剩余Cu粉进行混合。球磨时间为9h，转速设定为320rpm，球料比为18:1；机械混粉过程中振动频率为35Hz，混粉时间为9h，球料比为1:4。称取所需质量的混合粉末，装入不锈钢模具中，采用液压机进行冷压成型，压制压力为370Mpa，保压28s，得到压坯。将装有压坯的石墨模具放入热压烧结炉中进行加压烧结，烧结过程中通入氮气。首先以20℃/min的速度升温至940℃，保温40min，随后再以10℃/min升温至1050℃，在26Mpa的压力下保温2h，然后关闭电源，随炉冷却至室温，即制得TiB2增强铜基复合材料。

Claims (10)

1.一种非均匀结构二硼化钛/铜复合材料的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，分别称取Cu粉、Ti粉、B粉，首先将Ti粉与部分Cu粉球磨为复合粉末，然后对复合粉末与B粉和剩余的Cu粉进行机械混粉，混合均匀；
步骤2，将步骤1混合均匀的粉末冷压成型，得到压坯；
步骤3，对步骤2得到的压坯进行热压烧结，随炉冷却至室温，即得到TiB2增强铜基复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种非均匀结构二硼化钛/铜复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中Cu粉、Ti粉、B粉的质量比为97～98:1.38～2.07:0.62～0.93。
3.根据权利要求1所述的一种非均匀结构二硼化钛/铜复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中球磨中Cu粉的用量为其总量的10～90wt.％。
4.根据权利要求1所述的一种非均匀结构二硼化钛/铜复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中球磨参数为：球磨时间为6～12h，转速为300～400rpm，球料比为10～20:1。
5.根据权利要求1所述的一种非均匀结构二硼化钛/铜复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中机械混粉采用振动式混粉机，混粉过程中振动频率为30～60Hz，混粉时间为5～10h。
6.根据权利要求1所述的一种非均匀结构二硼化钛/铜复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中机械混粉过程中，粉末质量是所用磨球质量的3～5倍。
7.根据权利要求1所述的一种非均匀结构二硼化钛/铜复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中冷压成型的压制压力为300～400Mpa，保压时间为25～35s。
8.根据权利要求1所述的一种非均匀结构二硼化钛/铜复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中热压烧结具体为：首先以20℃/min的速度升温至900～950℃，保温20～40min，随后再以10℃/min升温至1000～1060℃，在25～30Mpa的压力下保温1～2h。
9.根据权利要求1所述的一种非均匀结构二硼化钛/铜复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中TiB2增强铜基复合材料中，TiB2增强体在基体中呈非均匀分布状态，其微观组织结构为增强体富集区和贫化区两种组织的混合状态。
10.一种非均匀结构二硼化钛/铜复合材料，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述方法制备得到。
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