CN109338150B - 一种多孔铜合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种多孔铜合金及其制备方法，所述多孔铜合金化学成分组成及质量百分比为：Zn：≤10％，Sn：2～15％，Ga：0.5～15％，Mg：≤5％，Al：≤5％，Li：≤5％，余量为Cu及不可避免的杂质。制备方法：(1)将合金原料熔化，浇铸，冷却后得到铜合金前驱体铸锭；(2)将铜合金前驱体铸锭切割，抛光，得到铜合金前驱体样品；(3)将铜合金前驱体样品进行真空热处理，温度为400～600℃，在持续真空环境中进行保温或变温处理，得到多孔铜合金。该工艺方法简单，适合规模化生产，所得产品孔隙率可调节，可应用于电池集电体、分离、过滤、催化、消音、吸震、屏蔽、热交换等领域。

Description

一种多孔铜合金及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，具体涉及一种多孔铜合金及其制备方法。
背景技术
多孔材料具有优异的理化性能和力学性能，如耐高温、耐高压、耐腐蚀、耐热震、可焊接、高导电导热系数等，其在医用载药植入器件、智能材料、固体氧化物燃料电池、超级电容、过滤器、冷热交换器等领域得到越来越多的关注和研究，在航空、航天、化工、建材、冶金、原子能、石化、机械、医药和环保等诸多领域具有广泛的应用前景。
从20世纪初期人类开始用粉末冶金方法制备多孔金属材料起，多孔金属的制造史已有近百年，其传统的制备方法主要有：粉末烧结型、纤维烧结型、复合型、沉积型、腐蚀型等。模板法是近年来发展起来的合成多孔材料的一种重要方法，利用胶质晶体作为模板，将原料填充于模板材料的孔隙中，再通过物理或化学方法除去模板材料，从而得到模板材料的反向复制品，即多孔材料。模板的选择是这种方法的核心步骤，决定多孔材料的结构与性能。但是模板法或粉末烧结法的工艺都相对复杂。
脱合金法也是一种制备多孔材料的方法，利用合金中不同元素之间的化学活泼性差异，通过化学或者电化学方法选择性地除去较为活泼的一个或多个组分，剩余组分通过原子扩散、聚集等方式自发形成三维双连续的多孔金属材料。目前通过选择性腐蚀，己经制备出了纳米多孔铂、纳米多孔钯、纳米多孔钛、以及纳米多孔铜等。但是此方法属难以制备大块多孔材料。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种多孔铜合金及其制备方法，通过一种真空热处理工艺制备出具有三维通孔结构的多孔铜合金。
本发明提供了一种多孔铜合金，其特征在于，所述多孔铜合金化学成分组成及质量百分比为：Zn：≤10％，Sn：2～15％，Ga：0.5～15％，Mg：≤5％，Al：≤5％，Li：≤5％，余量为Cu及不可避免的杂质。
所述多孔铜合金的孔径为0.1～50μm，孔隙率为10～70％。
所述多孔铜合金可以应用于电池集电体、分离、过滤、催化、消音、吸震、屏蔽、热交换领域。
本发明还提供了一种多孔铜合金的制备方法，其特征在于，步骤如下：
(1)铜合金前驱体的制备：按铜合金前驱体的化学成分组成及质量百分比，Zn：10～75％，Sn：2～15％，Ga：0.5～15％，Mg：1～5％，Al：≤5％，Li：≤5％，余量为Cu及不可避免的杂质，将原料熔化，浇铸，冷却后得到铜合金前驱体铸锭；
(2)铜合金前驱体铸锭的加工：将铜合金前驱体铸锭切割，抛光，得到铜合金前驱体样品；
(3)多孔铜合金的制备：将铜合金前驱体样品进行真空热处理，温度为400～600℃，在持续真空环境中进行保温或变温处理，真空度≤10Pa，处理时间≥1h，得到多孔铜合金。
所述步骤(1)中，所述铜合金前驱体，加入汞、铟、铋、镉、锑或铅中的一种或多种，以铜合金前驱体质量计算，加入量≤5(wt)％。
所述步骤(1)中，所述熔化步骤为将铜合金前驱体原料加入电阻炉或感应炉的坩埚内加热熔化。
所述步骤(2)中，所述铜合金前驱体铸锭切割，抛光步骤为将铜合金前驱体铸锭用线切割机床切割，然后用水砂纸打磨抛光，得到铜合金前驱体样品；或将铜合金前驱体铸锭锻造成板材或棒材后再采用以上方法线切割成样品，打磨抛光，得到铜合金前驱体样品。
所述步骤(3)中，所述真空热处理在真空热处理炉中进行。
所述步骤(3)中，所述变温处理为在400～600℃内，升温速率为5～100℃/h。
所述步骤(3)中，所述铜合金前驱体样品在真空热处理前进行预处理，所述的处理方法为高温淬火，塑性变形或高能粒子辐照中一种或多种。
首先，利用铜合金前驱体中的锌，锡，镓，镁，铝和锂元素具有较低的空位激活能，且与基体铜元素在400～600℃范围内具有较大的扩散系数差异，可以产生不平衡扩散(柯肯达尔效应)，长时间的不平衡扩散可以在合金基体中形成大量空位，当空位积累到一定程度时，大量的空位合并成许多孔洞，最终形成多孔铜合金。温度的提高有助于多孔铜合金的形成，但是更高的温度将使合金中铜元素和其它合金元素的扩散速率更加接近，不利于多孔铜合金的形成。
为了加速多孔铜合金的形成，铜合金前驱体中加入高蒸汽压的锌和镁元素，在400～600℃温度范围内，锌和镁可以通过升华脱出，从而增加扩散空位浓度梯度，进而加速空位形成和促进多孔铜合金的形成。铜合金前驱体中的锌和镁可不作为最终的合金元素，而锡，镓，铝和锂均通过增加扩散空位浓度促进多孔铜合金的形成，最终作为多孔铜合金的合金元素。
环境压力的降低可以促进扩散的速率，为了增加扩散速率，本发明多孔铜合金的处理过程为持续真空环境。
本发明多孔铜合金的制备中孔的形成受合金元素扩散速率的影响，所以多孔铜合金的处理时间根据样品尺寸的增加而增加，处理时间≥1h。
本发明铜合金的形状不限于块体，可以是箔片和粉体等各种形状。
本发明的优点在于：
(1)合金成分均能够和铜基体形成固溶体，合金制备过程简单，多孔铜合金采用真空热处理工艺，可以进行规模化生产，不仅可以制备大尺寸块体，而且特别适宜制备超薄多孔铜箔和多孔铜粉或铜球；
(2)本发明工艺制备的多孔铜合金具有通孔结构，其孔隙率根据合金成分比例可调；
(3)本发明工艺制备的多孔铜合金，可以应用于电池集电体、分离、过滤、催化、消音、吸震、屏蔽、热交换等领域。
附图说明
图1实施例1获得的三维多孔铜合金图片。
具体实施方式
以下实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。
如无特殊说明，本实施例中所有百分数均表示质量百分比。
实施例1
(1)Cu75Zn15Sn6Mg2GaAlLi铜合金前驱体的制备：按铜合金前驱体的化学成分组成及质量百分比，Zn：15％，Sn：6％，Mg：2％，Cu：75％，余量2％为镓、铝和锂元素，将原料加入电阻炉的坩埚内，待合金全部熔化后，浇铸，冷却后得到铜合金前驱体铸锭；
(2)Cu75Zn15Sn6Mg5GaAlLi铜合金前驱体铸锭，线切割成20×20×1mm小片，悬挂在真空热处理炉石英炉管内，在500℃保温持续高真空8小时，真空度保持在10Pa以内，获得三维多孔铜合金，孔径为2～5μm，孔隙率为30％，多孔铜合金图片如图1所示。
实施例2
(1)Cu60Zn25Sn10Mg2Ga2AlLi铜合金前驱体的制备：按铜合金前驱体的化学成分组成及质量百分比，Zn：25％，Sn：10％，Mg：2％，Ga：2％，Cu：60％，余量1％是铝和锂元素，将原料加入电阻炉的坩埚内，待合金全部熔化后，浇铸，冷却后得到铜合金前驱体铸锭；
(2)Cu60Zn25Sn10Mg2Ga2AlLi铜合金前驱体铸锭，线切割10×10×0.5mm小片，悬挂在实验室小型真空热处理炉内，在450℃保温持续高真空2小时，真空度保持在10Pa以内，获得三维多孔铜合金，孔径为2～10μm，孔隙率为40％。
实施例3
(1)Cu39Zn40Sn6Ga6Al4Mg4Li铜合金前驱体的制备：按铜合金前驱体的化学成分组成及质量百分比，Zn：40％，Sn：6％，Ga：6％，Mg：4％，Al：4％，Cu：39％，余量1％为锂元素，将原料加入感应炉的坩埚内，待合金全部熔化后，浇铸，冷却后得到铜合金前驱体铸锭；
(2)Cu39Zn20Sn6Ga6Al4Mg4Li铜合金前驱体，线切割成20×20×0.5mm厚薄片，砂纸磨光到0.3mm厚，悬挂在实验室小型真空热处理炉内，首先在400℃保温处理1小时，然后2小时内升温到600℃，在600℃保温1小时，持续高真空，真空度保持在10Pa以内，获得三维多孔铜合金，孔径为2～10μm，孔隙率为50％。
实施例4
(1)Cu32Zn50Sn10Mg5Li2GaAl铜合金前驱体的制备：按铜合金前驱体的化学成分组成及质量百分比，Zn：50％，Sn：10％，Mg：5％，Li：2％，Cu：32％，余量1％是镓和铝元素，将原料加入感应炉的坩埚内，待合金全部熔化后，浇铸，冷却后得到铜合金前驱体铸锭；
(2)Cu32Zn50Sn10Mg5Li2GaAl铜合金前驱体，线切割成10×15×1mm厚薄片，砂纸磨光到0.8mm厚，悬挂在实验室小型真空热处理炉内，在550℃保温5小时，持续高真空，真空度保持在6Pa以内，获得三维多孔铜合金，2～10μm，孔隙率为60％。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多孔铜合金，其特征在于，所述的多孔铜合金化学成分组成及质量百分比为：Zn：≤10％，Sn：2～15％，Ga：0.5～15％，Mg：≤5％，Al：≤5％，Li：≤5％，余量为Cu及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的多孔铜合金，孔径为0.1～50μm，孔隙率为10～70％。
3.权利要求1所述的一种多孔铜合金的制备方法，其特征在于，步骤如下：
(1)铜合金前驱体的制备：按铜合金前驱体的化学成分组成及质量百分比，Zn：10～75％，Sn：2～15％，Ga：0.5～15％，Mg：1～5％，Al：≤5％，Li：≤5％，余量为Cu及不可避免的杂质，将原料熔化，浇铸，冷却后得到铜合金前驱体铸锭；
(2)铜合金前驱体铸锭的加工：将铜合金前驱体铸锭切割，抛光，得到铜合金前驱体样品；
(3)多孔铜合金的制备：将铜合金前驱体样品进行真空热处理，温度为400～600℃，在持续真空环境中进行保温或变温处理，真空度≤10Pa，处理时间≥1h，得到多孔铜合金。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，所述的铜合金前驱体，加入汞、铟、铋、镉、锑或铅中的一种或多种，以铜合金前驱体质量计算，加入量≤5(wt)％。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，所述的熔化步骤为将铜合金前驱体原料加入电阻炉或感应炉的坩埚内加热熔化。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，所述的铜合金前驱体铸锭切割，抛光步骤为将铜合金前驱体铸锭用线切割机床切割，然后用水砂纸打磨抛光，得到铜合金前驱体样品；或将铜合金前驱体铸锭锻造成板材或棒材后再采用以上方法线切割成样品，打磨抛光，得到铜合金前驱体样品。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，所述的变温处理为在400～600℃内，升温速率为5～100℃/h。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，所述的铜合金前驱体样品在真空热处理前进行预处理，所述的预处理方法为高温淬火，塑性变形或高能粒子辐照中一种或多种。
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