CN108251685B - 一种钨弥散强化铜基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钨弥散强化铜基复合材料及其制备方法，属于粉末冶金技术领域。本发明中钨弥散强化铜基复合材料通过均匀分布在基体内的5‑50nm的钨弥散相颗粒强化铜基体，所述材料中钨弥散强化颗粒的质量分数为3％‑10％，其余为铜。以可溶性铜盐与可溶性钨酸盐为原料，与柠檬酸共同溶于去离子水中混合均匀后蒸干得到凝胶，经煅烧、还原获得钨弥散强化铜粉末，随后经成型、烧结制备出钨弥散强化铜基复合材料。本发明提供的钨弥散强化铜基复合材料在具有优异力学性能的前提下，具有比ODS铜更优异的导热导电性能，应用前景更为广阔。

Description

一种钨弥散强化铜基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于铜基复合材料制备技术领域，涉及一种钨弥散强化铜基复合材料及其制备方法。

背景技术

铜合金具有导电性好、导热性好、耐磨损、机械性能好等优异的物理性能，因此广泛应用于各个等领域。但是随着科学技术的发展，对于铜合金的要求越来越高，传统的铜和铜合金很难兼顾力学性能和热电学性能。弥散强化铜以少量纳米级颗粒分布在铜基体中，可以有效阻碍位错运动与晶界滑移，从而有效提升了铜材料的力学性能，并保持优异的导热导电性能，因此弥散强化铜基复合材料成为研究热点。

钨铜复合材料兼具有钨的高熔点、高硬度和铜的导电、导热性好的特点，广泛应用于各类耐高温材料、高压电工材料、电子封装材料等领域。由于钨与铜之间润湿性很差，钨在铜中没有固溶度，因此钨铜复合材料是一种钨铜“假合金”。这一特点与氧化铝弥散强化(ODS)铜组织特征极其相似，如果能够将钨的尺寸控制到ODS铜中氧化铝颗粒的纳米级尺寸，即可获得钨弥散强化铜。钨的导热导电性能优于氧化铝，因此钨弥散强化铜具有比ODS铜更优异的导热导电性能，应用范围更为广阔。

目前，国内外已经开发出机械合金化法、共还原法、内氧化法等方法制备弥散强化铜材料。中国发明专利授权号CN 102041421 B报道了溶胶-干燥法制备钨铜复合粉末的方法，证明了通过溶胶体系完成钨铜复合材料的制备是可行的，但均为高钨含量的钨基复合材料，由于其基体为钨骨架，导致其延展性差，导电性、导热性较低。中国专利申请号为94112582.3公开一种机械球磨合金化的方法制备弥散强化铜电阻焊电极材料，这种方法简单有效，但长时间球磨可能导致杂质进入基体中造成性能下降。中国专利申请号201610360623.9公开了一种内氧化制备氧化铝弥散强化铜的方法，但内氧化法仅适用于氧化物弥散强化材料，不适用于钨弥散强化铜的制备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型钨弥散强化铜基复合材料及其制备方法。本发明以可溶性铜盐与可溶性钨酸盐为原料，通过溶胶凝胶结合粉末冶金方法制备具有良好力学性能和导热导电性能的钨弥散强化铜材料。

为实现本发明的技术方案，具体工艺步骤包括以下内容：

一种钨弥散强化铜基复合材料，其特征在于：钨弥散强化颗粒的质量分数为 3％-10％，其余为铜；钨弥散强化颗粒尺寸为5-50nm，均匀分布在铜基体中。

上述钨弥散强化铜基复合材料的制备步骤如下：

1)铜-钨氧化物共氧化物粉末制备：以可溶性铜盐和可溶性钨酸盐原料，按照铜与络合剂柠檬酸摩尔数比2:1-5:1共同溶于去离子水形成溶胶，蒸干破碎获得铜-钨复合干凝胶前驱体粉末，随后在空气环境下350-500℃煅烧1-5h，获得铜氧化物与钨酸铜共氧化物粉末；

2)钨弥散强化铜粉末制备：将铜氧化物与钨酸铜共氧化物粉末置于氢气气氛中在650-900℃温度下还原0.5-4h，获得钨弥散强化铜粉末；

3)固结致密化；将钨弥散强化铜粉末经过压制成型后烧结，获得钨弥散强化铜基复合材料。

进一步地，步骤1)中所述可溶性铜盐为硫酸铜、硝酸铜、氯化铜中的一种或几种，所述可溶性钨酸盐为仲钨酸铵、偏钨酸铵、钨酸铵中的一种或几种。

进一步地，步骤3)中所述压制成型采用冷等静压或模压中一种或两种，压制压力为100-500MPa；烧结方式为放电等离子烧结、真空烧结、气氛保护烧结中的一种或多种，烧结温度为800-1000℃，保温时间为5min-5h。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明涉及的钨弥散强化铜基复合材料在保证优异力学性能的前提下，比ODS铜具有更优异的导热导电性能，应用范围更为广阔。

2.通过溶胶凝胶工艺制备钨酸铜共氧化物，经氢气还原后能够生成钨金属单质，均匀分布在铜基体中，并可通过调整还原工艺原位形成纳米级钨颗粒来弥散强化铜基体，强化效果是外加钨颗粒无法达到的。

具体实施方式

实施例1

1)将硝酸铜、钨酸铵按照铜与钨质量比97：3称量，加入与硝酸铜摩尔比 2:1的柠檬酸共同溶解于去离子水中，蒸干后获得钨-铜复合干凝胶前驱体。将前驱体破碎后于炉中煅烧，煅烧温度350℃，煅烧时间4h。获得铜氧化物与钨酸铜共氧化物粉末。

2)将共氧化物粉末在900℃下在氢气保护气氛中还原0.5h，得到钨弥散强化铜粉末。

3)将钨弥散强化铜粉末经100MPa冷等静压后于950℃下氢气保护还原烧结5h，获得W质量分数为3％的钨弥散强化铜基复合材料。

本实施例中，钨弥散相颗粒平均尺寸为15nm，钨弥散强化铜基复合材料经挤压后抗拉强度为540MPa，导热系数为384W·m^-1·k^-1。

实施例2

1)将硫酸铜、仲钨酸铵按照铜与钨质量比95：5称量，加入与硫酸铜摩尔比3:1的柠檬酸共同溶解于去离子水中，蒸干后获得钨-铜复合干凝胶前驱体。将前驱体破碎后于炉中煅烧，煅烧温度400℃，煅烧时间3h。获得铜氧化物与钨酸铜复合共氧化物粉末。

2)将共氧化物粉末在800℃下在氢气保护气氛中还原1h，得到钨弥散强化铜粉末。

3)将钨弥散强化铜粉末经500MPa模压后还原烧结，980℃下氢气保护还原烧结2h，获得W质量分数为5％钨弥散强化铜基复合材料。

本实施例中，钨弥散相颗粒平均尺寸为21nm，钨弥散强化铜基复合材料经挤压后抗拉强度为578MPa，导热系数为368W·m^-1·k^-1。

实施例3

1)将氯化铜、偏钨酸铵按照铜与钨质量比93：7称量，加入与氯化铜摩尔比4:1的柠檬酸共同溶解于去离子水中，蒸干后获得钨-铜复合干凝胶前驱体。将前驱体破碎后于炉中煅烧，煅烧温度450℃，煅烧时间2h。获得铜氧化物与钨酸铜共氧化物粉末。

2)将共氧化物粉末在700℃下在氢气保护气氛中还原2h，得到钨弥散强化铜粉末。

3)将钨弥散强化铜粉末经200MPa冷等静压后于1000℃下真空烧结2h，获得W质量分数为7％钨弥散强化铜基复合材料。

本实施例中，钨弥散相颗粒平均尺寸为28nm，钨弥散强化铜基复合材料经挤压后抗拉强度为602MPa，导热系数为356W·m^-1·k^-1。

实施例4

1)将硝酸铜、钨酸铵按照铜与钨质量比90：10称量，加入与硝酸铜摩尔比 5:1的柠檬酸共同溶解于去离子水中，蒸干后获得钨-铜复合干凝胶前驱体。将前驱体破碎后于炉中煅烧，煅烧温度500℃，煅烧时间1h。获得铜氧化物与钨酸铜共氧化物粉末。

2)将共氧化物粉末在650℃下在氢气保护气氛中还原5h，得到钨弥散强化铜粉末。

3)将钨弥散强化铜粉末经350MPa模压后于800℃下放电等离子烧结5min，获得W质量分数为10％钨弥散强化铜基复合材料。

本实施例中，钨弥散相颗粒平均尺寸为37nm，钨弥散强化铜基复合材料经挤压后抗拉强度为613MPa，导热系数为343W·m^-1·k^-1。

根据当前报道，Al质量分数为0.25wt.％的弥散强化铜在冷加工后抗拉强度为430MPa时，热导率为364W·m^-1·k^-1；在抗拉强度为601MPa时，热导率为 339W·m^-1·k^-1。本发明提供的制备工艺，在抗拉强度不低于氧化铝弥散强化铜的前提下，热导率显著高于氧化铝弥散强化铜，具有显著的优点。

Claims (5)

1.一种钨弥散强化铜基复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下工艺步骤：

1）铜-钨共氧化物粉末制备：以可溶性铜盐和可溶性钨酸盐原料，按照铜与络合剂柠檬酸摩尔数比2:1-5:1共同溶于去离子水形成溶胶，蒸干破碎获得铜-钨复合干凝胶前驱体粉末，随后在空气环境下350-500℃煅烧1-5 h，获得铜氧化物与钨酸铜共氧化物粉末；

2）钨弥散强化铜粉末制备：将铜氧化物与钨酸铜共氧化物粉末置于氢气气氛中在650-900 ℃温度下还原0.5-4 h，获得钨弥散强化铜粉末；

3）固结致密化；将钨弥散强化铜粉末经过压制成型后烧结，获得钨弥散强化铜基复合材料。

2.根据权利要求1所述的一种钨弥散强化铜基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤1）中所述可溶性铜盐为硫酸铜、硝酸铜、氯化铜中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的一种钨弥散强化铜基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤1）中所述可溶性钨酸盐为仲钨酸铵、偏钨酸铵、钨酸铵中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的一种钨弥散强化铜基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤3）中所述的压制成型采用冷等静压或模压中一种 或两种，压制压力为100-500 MPa；烧结方式为放电等离子烧结、真空烧结、气氛保护烧结中的一种或多种，烧结温度为800-1000℃，保温时间为5 min-5 h。

5.一种根据权利要求1所述的制备方法制备的钨弥散强化铜基复合材料，其特征在于：钨弥散强化颗粒的质量分数为3%-10%，其余为铜；钨弥散强化颗粒尺寸为15-50nm，均匀分布在铜基体中；

所述钨弥散强化铜基复合材料需要经过铜-钨共氧化物粉末制备、钨弥散强化铜粉末制备以及固结致密化制得。