CN110129607B - 一种自生碳化钛增强铜基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自生碳化钛增强铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤，先称取钛粉加入丙酮中，进行震荡和搅拌，得到混合液；之后量取氧化石墨烯加入混合液中，搅拌后加入铜粉，继续搅拌后置于真空干燥箱中出去丙酮，即得到氧化石墨烯/铜/钛混合粉体；将上述粉体置于水合肼蒸汽中进行还原，冷却至室温即得石墨烯/铜/钛混合干燥粉体；将其干燥粉体装入石墨模具中，置于真空热压烧结炉中进行热压烧结，脱模后得到自生碳化钛增强铜基复合材料；该工艺操作简单，周期较短更易于工业化生产；采用该方法制备的自生碳化钛增强铜基复合材料，其碳化钛在铜基体中的分散均匀性好，大大提高了复合材料的硬度、抗压能力和导电性。
Description
技术领域
本发明涉及增强铜基复合材料技术领域，具体涉及一种自生碳化钛增强铜基复合材料及其制备方法。
背景技术
铜基复合材料具有良好硬度、抗压能力和导电性能，其在汽车、航空航天、体育器件中有着广泛的应用及前景。碳化钛增强材料具有多种优异的性能特点，如：化学性质稳定，高强度，耐磨，耐压和高导电性等性能。目前，碳化钛颗粒以其稳定的复合结构、良好的增强效果，已成为铜基复合材料的优选增强剂之一。然而，现有技术如外加碳化钛法存在着界面污染和颗粒分布不均的问题，而当前熔铸获得碳化钛增强体易发生偏聚现象，耗能耗时、工艺复杂。因此，亟需设计一种新的技术方案，以综合解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种自生碳化钛增强铜基复合材料，能有效解决现有的外加碳化钛法存在界面污染和颗粒分布不均，以及熔铸获得的碳化钛增强体易发生偏聚现象的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：
一种自生碳化钛增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)、称取钛粉加入丙酮中，进行超声辅助震荡和搅拌，得到混合液；
步骤2)、量取氧化石墨烯加入步骤1)的混合液中，搅拌10-30min后加入铜粉，继续搅拌20-40min后置于真空干燥箱中除去丙酮，即得到氧化石墨烯/铜/钛混合粉体；
步骤3)、将步骤2)中的氧化石墨烯/铜/钛混合粉体置于90℃水合肼蒸汽中2h，之后冷却至室温即得石墨烯/铜/钛混合干燥粉体；
步骤4)、将步骤3)得到的石墨烯/铜/钛混合干燥粉体装入石墨模具中，置于真空热压烧结炉中进行热压烧结，烧结完成后随炉冷却至室温，脱模后即得到自生碳化钛增强铜基复合材料。
其中，钛粉和丙酮的添加比例按每克钛粉加入10mL丙酮；且钛粉的粒径为60-100nm，铜粉的粒径为30-50nm。
其中，步骤2)中每1g氧化石墨烯对应混合3.5-3.9g的钛粉，每1g氧化石墨烯对应混合66.2-161.1g的铜粉。
步骤4)中热压烧结的条件为：将所述烧结炉的内部压力降至-0.1MPa后升压至30-50MPa，并是以5℃/min升温速率升温至1000℃，保温2-3h。
最后提供一种采用上述方法制备的自生碳化钛增强铜基复合材料，其组织容易控制稳定性好，碳化钛在铜基体中分散性好。
上述技术方案中提供的自生碳化钛增强铜基复合材料的制备方法，工艺简单，成本低廉，所需周期短，经过震荡搅拌、冷冻干燥以及热压烧结等步骤，制得自生碳化钛增强铜基复合材料；采用该方法制备的自生碳化钛增强铜基复合材料，碳化钛与铜基体之间具有良好的润湿性，其在铜基体中分布均匀，与铜基体的界面干净、结合程度高，可根据需要调配增强体含量，使其具有较高的硬度、抗压能力和导电性；解决了碳化钛增强颗粒在铜基体的原位生成，均匀弥散分布问题，获得铜基复合材料良好的电学和力学性能。
附图说明
图1为质量分数为3.0％自生碳化钛增强铜基复合材料微观组织图；
图2为质量分数为5.0％自生碳化钛增强铜基复合材料微观组织图；
图3为质量分数为7.0％自生碳化钛增强铜基复合材料微观组织图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。
实施例1
本实施例以生产质量分数为3.0％自生碳化钛增强铜基复合材料(150克)为例，该复合材料的制备方法为：
称取1.5g钛粉于15mL的丙酮中，在超声辅助震荡的条件下电动搅拌10min，得到混合液；再量取0.43g的氧化石墨烯加入其中，在120r/min转速下电动搅拌10min，之后再加入铜粉148.05g，继续搅拌20min后置于置于真空干燥箱中除去丙酮，得到氧化石墨烯/铜/钛混合粉体，最后将氧化石墨烯/铜/钛混合粉体置于90℃水合肼蒸汽中还原2h，冷却至室温即得到氧化石墨烯/铜/钛混合干燥粉体；
将得到的氧化石墨烯/铜/钛混合干燥粉体装入石墨模具中，置于真空热压烧结炉中进行热压烧结，烧结炉的内部压力先降至-0.1MPa后升压至30MPa，并是以5℃/min升温速率升温至980℃，保温3h。
随后随炉冷却至室温，从炉中取出并脱模即得质量分数为3.0％自生碳化钛增强铜基复合材料，其微观组织如图1所示。该自生碳化钛增强铜基复合材料中自生碳化钛颗粒呈现均匀分布特点，自生碳化钛颗粒有助于提高复合材料的硬度、抗压能力和导电性。
该实施例得到的自生碳化钛增强铜基复合材料的性能如下：室温布氏硬度为HB57.2，室温抗拉强度为212MPa，延伸率为17.8％。
实施例2
本实施例以生产质量分数为5.0％自生碳化钛增强铜基复合材料(150克)为例，该复合材料的制备方法为：
称取4.5g钛粉于45mL的丙酮中，在超声辅助震荡的条件下电动搅拌10min，得到混合液；再量取1.29g的氧化石墨烯加入其中，在120r/min转速下电动搅拌20min，之后再加入铜粉145.05g，继续搅拌30min后置于置于真空干燥箱中除去丙酮，得到氧化石墨烯/铜/钛混合粉体，最后将氧化石墨烯/铜/钛混合粉体置于90℃水合肼蒸汽中还原2h，冷却至室温即得到氧化石墨烯/铜/钛混合干燥粉体；
将得到的氧化石墨烯/铜/钛混合干燥粉体装入石墨模具中，置于真空热压烧结炉中进行热压烧结，烧结炉的内部压力先降至-0.1MPa后升压至40MPa，并是以5℃/min升温速率升温至980℃，保温2.5h。
随后随炉冷却至室温，从炉中取出并脱模即得质量分数为5.0％自生碳化钛增强铜基复合材料，其微观组织如图2所示。该自生碳化钛增强铜基复合材料中自生碳化钛颗粒呈现均匀分布特点，自生碳化钛颗粒有助于提高复合材料的硬度、抗压能力和导电性。
该实施例得到的自生碳化钛增强铜基复合材料的性能如下：室温布氏硬度为HB69.1，室温抗拉强度为283.5MPa，延伸率为13.6％。
实施例3
本实施例以生产质量分数为7.0％自生碳化钛增强铜基复合材料(150克)为例，该复合材料的制备方法为：
称取7.5g钛粉于75mL的丙酮中，在超声辅助震荡的条件下电动搅拌10min，得到混合液；再量取1.97g的氧化石墨烯加入其中，在120r/min转速下电动搅拌30min，之后再加入铜粉142.05g，继续搅拌40min后置于置于真空干燥箱中除去丙酮，得到氧化石墨烯/铜/钛混合粉体，最后将氧化石墨烯/铜/钛混合粉体置于90℃水合肼蒸汽中还原2h，冷却至室温即得到氧化石墨烯/铜/钛混合干燥粉体；
将得到的氧化石墨烯/铜/钛混合干燥粉体装入石墨模具中，置于真空热压烧结炉中进行热压烧结，烧结炉的内部压力先降至-0.1MPa后升压至40MPa，并是以5℃/min升温速率升温至980℃，保温3h。
随后随炉冷却至室温，从炉中取出并脱模即得质量分数为7.0％自生碳化钛增强铜基复合材料，其微观组织如图3所示。该自生碳化钛增强铜基复合材料中自生碳化钛颗粒呈现均匀分布特点，自生碳化钛颗粒有助于提高复合材料的硬度和抗拉能力。
该实施例得到的自生碳化钛增强铜基复合材料的性能如下：室温布氏硬度为HB84.5，室温抗拉强度为357MPa，延伸率为8.9％。
上面结合实施例对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在获知本发明中记载内容后，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对其作出若干同等变换和替代，这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种自生碳化钛增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)、称取钛粉加入丙酮中，进行超声辅助震荡和搅拌，得到混合液；
步骤2)、量取氧化石墨烯加入步骤1)的混合液中，搅拌10-30min后加入铜粉，继续搅拌20-40min后置于真空干燥箱中除去丙酮，即得到氧化石墨烯/铜/钛混合粉体；其中，每1g氧化石墨烯对应混合3.5-3.9g的钛粉、66.2-161.1g的铜粉；
步骤3)、将步骤2)中的氧化石墨烯/铜/钛混合粉体置于90℃水合肼蒸汽中2h，之后冷却至室温即得石墨烯/铜/钛混合干燥粉体；
步骤4)、将步骤3)得到的石墨烯/铜/钛混合干燥粉体装入石墨模具中，置于真空热压烧结炉中进行热压烧结，烧结完成后随炉冷却至室温，脱模后即得到自生碳化钛增强铜基复合材料。
2.根据权利要求1所述的自生碳化钛增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：所述钛粉和丙酮的添加比例按每克钛粉加入10mL丙酮。
3.根据权利要求1所述的自生碳化钛增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：钛粉的粒径为60-100nm，铜粉的粒径为30-50nm。
4.根据权利要求1所述的自生碳化钛增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于，热压烧结的条件为：将所述烧结炉的内部压力降至-0.1MPa后升压至30-50MPa，并以5℃/min的升温速率升温至1000℃，保温2-3h。
5.一种自生碳化钛增强铜基复合材料，其特征在于：是应用权利要求1-4中任一项所述的自生碳化钛增强铜基复合材料的制备方法制得。
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