CN111378863B - 一种二氧化硅气凝胶增强铜基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种二氧化硅气凝胶增强铜基复合材料及其制备方法，属于金属材料及其制备技术领域。该复合材料的质量百分比组成为：二氧化硅气凝胶含量为5％以下，余量为铜。制备时按配比称取铜粉和二氧化硅气凝胶粉，混合均匀，然后采用液压机在钢模中将混合粉末压制成块，得到铜‑二氧化硅中间合金；采用真空感应炉将铜‑二氧化硅中间合金和纯铜熔炼，然后浇注成锭，得到二氧化硅气凝胶增强铜基复合材料。本发明制备的铜基复合材料的综合力学性能相比纯铜铸锭要高，而密度和导电率降低不多，因此，该材料适用于对力学性能和导电性能要求高的领域。

Description

一种二氧化硅气凝胶增强铜基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种二氧化硅气凝胶增强铜基复合材料及其制备方法，属于金属材料及其制备技术领域，特别是颗粒增强金属基复合材料技术领域。
技术背景
纯铜虽拥有良好的导电、导热性能，但其强度低，耐磨性差，高温下易软化变形，在许多场合的应用受到限制。而通过一定的工艺，往铜基体中添加高熔点、耐磨和耐腐蚀的第二相颗粒，制备出的复合材料，不仅保持了铜本身优良的导电、导热性能，还可以提高合金的力学性能和耐摩擦磨损性能。
所谓第二相颗粒增强铜基复合材料就是将所需的第二相颗粒弥散均匀地分布在铜基体中，使得铜基复合材料的综合性能得到改善。而且第二相颗粒只占基体极小的体积分数，因而不影响铜基体固有的物理化学性质，故材料的导电性、导热性没有明显地降低。第二相颗粒增强铜基复合材料的力学性能和导电导热性能主要取决于铜基体和第二相颗粒的性能，以及第二相颗粒与基体之间的界面关系。由于第二相颗粒增强铜基复合材料的制造成本相对低廉，各向同性，综合性能优良等，成为目前铜基复合材料的研究热点。现在第二相颗粒增强铜合金复合氧化物、碳化物、硼化物和氮化物等工业化系列产品已经广泛用于航空、航天、电子和电力等领域。
气凝胶是一种低密度、高孔隙率的材料，其热导率最低可以达到0.012W/(m·k)，是目前公认的热导率最低的固态材料。气凝胶的种类繁多，目前研究及应用最为广泛的是二氧化硅气凝胶。二氧化硅气凝胶被称之为“蓝烟”，是目前世界上最轻的固体，它是一种结构可控由胶体粒子或高聚物分子相互交联构成的具有空间网络结构的轻质纳米多孔性非晶固态材料，其密度范围为0.003～0.2g/cm3，比表面积高达800m2/g，孔隙率在80～99.8％，并具有极低的热导率，在保温隔热、光导、介电、催化等领域具有广阔的应用前景。鉴于二氧化硅气凝胶的以上特性，将微米级颗粒状的二氧化硅气凝胶作为增强相添加进铜基体中，可得到性能特异的复合材料。目前，有关二氧化硅气凝胶增强铜基复合材料的制备工艺尚未见报道。
发明内容
本发明所要解决的第一个问题是提供一种具有优异导电性能、力学性能和耐磨性能的二氧化硅气凝胶增强铜基复合材料，使其用于电子电力、航空航天和车辆交通等领域。
本发明所要解决的第二个问题是提供一种具有优异导电性能、力学性能和耐磨性能的二氧化硅气凝胶增强铜基复合材料的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种二氧化硅气凝胶增强铜基复合材料，其质量百分比组成为：二氧化硅气凝胶含量为5％以下，余量为铜。
其中，二氧化硅气凝胶含量优选为0.5～5％，更优选为1～3％。
其中，不可避免的杂质的质量百分比≤0.5％。
二氧化硅气凝胶在铜基体中的主要作用是起到第二相弥散强化的作用，第二相颗粒对自由电子的散射作用比固溶原子引起的晶格畸变产生的散射作用要弱很多，这使得铜基复材在保持良好的导电导热性能的同时拥有良好的力学性能。
本发明的二氧化硅气凝胶增强铜基复合材料的制备方法，主要包括粉末冶金法制备铜-二氧化硅气凝胶中间合金和真空熔铸的工艺，具体步骤包括：先按照配比称取铜粉和二氧化硅气凝胶，将两者在双锥高效混料机中混合均匀，然后通过液压机将混合粉压制成块，至此铜-二氧化硅中间合金制作完毕。将一定配比的T2纯铜和铜-二氧化硅中间合金放到真空电弧炉中熔炼。
一种二氧化硅气凝胶增强铜基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备铜-二氧化硅中间合金：按配比称取铜粉和二氧化硅气凝胶粉，混合均匀，然后采用液压机在钢模中将混合粉末压制成块，得到铜-二氧化硅中间合金；
(2)制备复合材料：采用真空感应炉将铜-二氧化硅中间合金和纯铜熔炼，然后浇注成锭，得到二氧化硅气凝胶增强铜基复合材料。
步骤(1)中，采用的原料为电解铜粉、微米级二氧化硅气凝胶和紫铜。优选的，电解铜粉平均粒度≤74μm，纯度≥99.9wt.％；微米级二氧化硅气凝胶平均粒度为1～30μm；所述的紫铜为T2纯铜，纯度≥99.9wt.％。
铜-二氧化硅中间合金中，二氧化硅气凝胶的含量为5～10wt.％。
铜粉和二氧化硅气凝胶粉采用双锥高效混料机进行混合，混合时间为6～12h。
采用液压机在钢模中将混合粉末压制的压力为10～20MPa。
步骤(2)中，复合材料在熔炼过程中，熔炼的温度范围为1150～1300℃；浇注的温度为1050～1200℃。
本发明的二氧化硅增强铜基复合材料铸锭的抗拉强度为150～250MPa，屈服强度为80～120MPa，伸长率为20～50％，硬度为40～50HV，密度为8.80～8.90g/cm3，导电率为90～95％IACS，导热系数200～350W/MK。本发明所制备的铜基复合材料与铸态纯铜相比，其抗拉强度和屈服强度均有所提高，而密度和导电率下降不多。
与现有技术相比，本发明的优点：
(1)本发明通过往纯铜中添加微米级二氧化硅气凝胶提高铜-二氧化硅气凝胶复合材料的力学性能，而导电和导热性能依然优异。
(2)本发明通过制备铜-气凝胶中间合金块，解决了在熔炼过程中轻质气凝胶不易添加进铜熔体中的问题。
(3)通过本发明制备的铜基二氧化硅气凝胶复合材料具有成本低的优势。
具体实施方式
本发明二氧化硅气凝胶增强铜基复合材料的制备步骤为：(1)中间合金的制备：配料—混料—冷压成型；(2)合金熔炼：真空熔炼—浇注成型。
本发明中，以电解铜粉、微米级二氧化硅气凝胶和T2纯铜块为原料。所使用原材料的规格如下：电解铜粉平均粒度≤74μm，纯度≥99.9wt.％；微米级二氧化硅气凝胶平均粒度为1～30μm，T2纯铜，纯度≥99.9wt.％。
首先，将一定配比的铜粉和二氧化硅气凝胶在双锥高效混料机中混6～12h；然后将混合均匀的粉末放入模具中在液压机下压成块；将铜-二氧化硅气凝胶中间合金块连同纯铜一起放入真空感应炉中熔炼，熔炼温度为1150～1300℃，待紫铜融化后在钢制铸型中浇注成型。
其具体工艺步骤包括：
(1)配料：按照质量比取电解铜粉(平均粒度≤74μm，纯度≥99.9wt.％)和微米级二氧化硅气凝胶(粒度范围为1～30μm)，其中气凝胶在中间合金中的含量为5～10wt.％。
(2)混料：用双锥高效混料机将配好的铜粉和气凝胶混合均匀，混粉时间为6～12h。
(3)冷压成型：在钢模中将混合粉压制成块。
(4)熔炼：将中间合金块与纯铜块一起放入真空感应炉中，熔炼温度范围为1150～1300℃，待紫铜熔化完毕后在钢制铸型中浇注成型。
实施例1
制备Cu-1wt.％SiO2气凝胶复合材料，其生产工艺流程方法为：(1)Cu-SiO2气凝胶中间合金制备：配料—混料—冷压成型；(2)复合材料的制备：真空熔炼—浇注成型。
具体的过程为：按照表1成分配料。首先，配制Cu-10wt.％SiO2气凝胶中间合金，将电解铜粉和二氧化硅气凝胶在双锥高效混料机中混合12h，然后将混合粉在液压机下用15MPa的压力压制成块。最后，将按目标成分配制好的T2纯铜和Cu-10wt.％SiO2中间合金放置进真空中频感应炉中，在1200℃下熔炼。待纯铜熔化完毕后，温度降低至1150℃后浇注。所制备的成品性能如表1所示。
实施例2
制备Cu-1.5wt.％SiO2气凝胶复合材料，其生产工艺流程方法为：(1)Cu-SiO2气凝胶中间合金制备：配料—混料—冷压成型；(2)复合材料的制备：真空熔炼—浇注成型。
具体的过程为：按照表1成分配料。首先，配制Cu-10wt.％SiO2气凝胶中间合金，将电解铜粉和二氧化硅气凝胶在双锥高效混料机中混合12h，然后将混合粉在液压机下用15MPa的压力压制成块。最后，将按目标成分配制好的T2纯铜和Cu-10wt.％SiO2中间合金放置进真空中频感应炉中，在1250℃下熔炼。待纯铜熔化完毕后，温度降低至1150℃后浇注。所制备的成品性能如表1所示。
实施例3
制备Cu-2wt.％SiO2气凝胶复合材料，其生产工艺流程方法为：(1)Cu-SiO2气凝胶中间合金制备：配料—混料—冷压成型；(2)复合材料的制备：真空熔炼—浇注成型。
具体的过程为：按照表1成分配料。首先，配制Cu-10wt.％SiO2气凝胶中间合金，将电解铜粉和二氧化硅气凝胶在双锥高效混料机中混合12h，然后将混合粉在液压机下用15MPa的压力压制成块。最后，将按目标成分配制好的T2纯铜和Cu-10wt.％SiO2中间合金放置进真空中频感应炉中，在1250℃下熔炼。待纯铜熔化完毕后，温度降低至1150℃后浇注。所制备的成品性能如表1所示。
实施例4
制备Cu-2.5wt.％SiO2气凝胶复合材料，其生产工艺流程方法为：(1)Cu-SiO2气凝胶中间合金制备：配料—混料—冷压成型；(2)复合材料的制备：真空熔炼—浇注成型。
具体的过程为：按照表1成分配料。首先，配制Cu-10wt.％SiO2气凝胶中间合金，将电解铜粉和二氧化硅气凝胶在双锥高效混料机中混合12h，然后将混合粉在液压机下用15MPa的压力压制成块。最后，将按目标成分配制好的T2纯铜和Cu-10wt.％SiO2中间合金放置进真空中频感应炉中，在1250℃下熔炼。待纯铜熔化完毕后，温度降低至1150℃后浇注。所制备的成品性能如表1所示。
实施例5
制备Cu-3wt.％SiO2气凝胶复合材料，其生产工艺流程方法为：(1)Cu-SiO2气凝胶中间合金制备：配料—混料—冷压成型；(2)复合材料的制备：真空熔炼—浇注成型。
具体的过程为：按照表1成分配料。首先，配制Cu-10wt.％SiO2气凝胶中间合金，将电解铜粉和二氧化硅气凝胶在双锥高效混料机中混合12h，然后将混合粉在液压机下用15MPa的压力压制成块。最后，将按目标成分配制好的T2纯铜和Cu-10wt.％SiO2中间合金放置进真空中频感应炉中，在1250℃下熔炼。待纯铜熔化完毕后，温度降低至1150℃后浇注。所制备的成品性能如表1所示。
表1 一种气凝胶增强铜基复合材料的成分组成(wt.％)
Figure BDA0001924261650000051
表2实施例1-5制备的复合材料和紫铜铸锭的性能
Figure BDA0001924261650000052
本发明通过往纯铜中添加微米级二氧化硅气凝胶，提高了复合材料的综合力学性能，最终可获得二氧化硅气凝胶增强铜基复合材料。本发明所制备的铜基复合材料的综合力学性能相比纯铜铸锭要高，而密度和导电率降低不多。因此，该材料适用于对力学性能和导电性能要求高的领域。
本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种二氧化硅气凝胶增强铜基复合材料，其特征在于：其质量百分比组成为：二氧化硅气凝胶含量为1～5％，余量为铜；
该复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按配比称取铜粉和微米级二氧化硅气凝胶粉，微米级二氧化硅气凝胶平均粒度为1～30μm，混合均匀，然后采用液压机在钢模中将混合粉末压制成块，得到铜-二氧化硅中间合金，所述的铜-二氧化硅中间合金中，二氧化硅气凝胶的含量为5～10wt.％；
(2)采用真空感应炉将铜-二氧化硅中间合金和纯铜熔炼，然后浇注成锭，得到二氧化硅气凝胶增强铜基复合材料。
2.根据权利要求1所述的二氧化硅气凝胶增强铜基复合材料，其特征在于：二氧化硅气凝胶含量为1～3％。
3.根据权利要求2所述的二氧化硅气凝胶增强铜基复合材料，其特征在于：该复合材料中杂质的质量百分比≤0.5％。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的二氧化硅气凝胶增强铜基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按配比称取铜粉和微米级二氧化硅气凝胶粉，微米级二氧化硅气凝胶平均粒度为1～30μm，混合均匀，然后采用液压机在钢模中将混合粉末压制成块，得到铜-二氧化硅中间合金，所述的铜-二氧化硅中间合金中，二氧化硅气凝胶的含量为5～10wt.％；
(2)采用真空感应炉将铜-二氧化硅中间合金和纯铜熔炼，然后浇注成锭，得到二氧化硅气凝胶增强铜基复合材料。
5.根据权利要求4所述的二氧化硅气凝胶增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：采用的原料为电解铜粉、微米级二氧化硅气凝胶和紫铜。
6.根据权利要求5所述的二氧化硅气凝胶增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：电解铜粉平均粒度≤74μm，纯度≥99.9wt.％；所述的紫铜为T2纯铜，纯度≥99.9wt.％。
7.根据权利要求4所述的二氧化硅气凝胶增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的铜粉和二氧化硅气凝胶粉采用双锥高效混料机进行混合，混合时间为6～12h。
8.根据权利要求4所述的二氧化硅气凝胶增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：采用液压机压制混合粉末的压力为10～20MPa。
9.根据权利要求4所述的二氧化硅气凝胶增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：所述熔炼的温度为1150～1300℃，所述浇注的温度为1050～1200℃。
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