CN112281022A - 一种铜基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铜基复合材料及其制备方法，属于铜基材料技术领域。本发明的铜基复合材料包括铜基体和分散在铜基体中的第一陶瓷颗粒、第二陶瓷颗粒和陶瓷晶须；第一陶瓷颗粒为平均粒径＜100nm的氧化铝颗粒，占铜基复合材料的质量百分比为0.1～0.5％；第二陶瓷颗粒和陶瓷晶须占铜基复合材料总的质量百分比不超过10％；第二陶瓷颗粒的平均粒径为1μm～50μm。本发明铜基复合材料的铜基体中，平均粒径＜1μm的第一陶瓷颗粒、微米级的第二陶瓷颗粒和陶瓷晶须三种增强相相互耦合，利用第一陶瓷颗粒增强基体强度和硬度进而增强铜基体对第二陶瓷颗粒和陶瓷晶须的把持力，最终在保证材料导电率的同时增强铜基复合材料的强度和耐磨性。

Description

一种铜基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铜基复合材料及其制备方法，属于铜基材料技术领域。

背景技术

纯铜的导电性能、导热性能和机械性能良好，但强度低，使其应用受到限制，现有技术通过在纯铜中加入或通过一定的方法原位生成弥散分布第二相颗粒能够显著增强纯铜的强度。第二相颗粒通常为陶瓷颗粒，陶瓷颗粒增强铜合金不会出现在高温下增强相固溶或团聚增大的现象，因而在高温下也表现出良好的强度和电导率。然而，单一陶瓷颗粒增强相由于材料本身的限制，只能依靠提高增强相的含量来提高力学性能，但该方式会牺牲导电性能，往往难以兼顾强度、耐磨性和导电性等性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种同时具有较高抗拉强度、耐磨性和导电性的铜基复合材料。

本发明的目的还在于提供一种上述铜基复合材料的制备方法。

为了实现以上目的，本发明的铜基复合材料所采用的技术方案是：

一种铜基复合材料，包括铜基体和分散在铜基体中的第一陶瓷颗粒、第二陶瓷颗粒和陶瓷晶须；所述第一陶瓷颗粒为平均粒径＜100nm的氧化铝颗粒，占铜基复合材料的质量百分比为0.1～0.5％；所述第二陶瓷颗粒和陶瓷晶须占铜基复合材料总的质量百分比不超过10％；所述第二陶瓷颗粒的平均粒径为1μm～50μm。

本发明的铜基复合材料，铜基体中分散有纳米级或更小的第一陶瓷颗粒、微米级的第二陶瓷颗粒和陶瓷晶须，三者对铜基体进行混杂增强，可以很好地提高铜基复合材料的强韧性和导电性。其中，第一陶瓷颗粒平均粒径较小可弥散分布于基体内部增强铜基体的强度和硬度；第二陶瓷颗粒平均粒径较大，在摩擦磨损过程中起到耐磨相和支撑相的作用，并且对导电性的影响较小，因而可以在尽量保持不降低导电率的情况下，提高复合材料的强度和耐磨性，进而保证铜基复合材料在高温工况下仍然保持高导高强高耐磨的性能；陶瓷晶须在铜基中具有增韧的作用，可以提高铜基复合材料的塑性；三种增强相相互耦合，利用第一陶瓷颗粒增强基体强度和硬度进而增强铜基体对第二陶瓷颗粒和陶瓷晶须的把持力，第一陶瓷颗粒对第二陶瓷颗粒和晶须的空间分布起到很好的调节作用，使得陶瓷颗粒与晶须之间有更好的空间配置，最终协同增强铜基复合材料的综合性能。

本发明的铜基复合材料的铜基体的材质为铜。当然根据铜基复合材料制备方法的不同，铜材质的基体会不可避免地引入一些的杂质。

优选的，所述第一陶瓷颗粒占铜基复合材料的质量百分比为0.3～0.5％。所述第二陶瓷颗粒占的铜基复合材料的质量百分比为0.8～2.4％。

优选的，所述述陶瓷晶须的长度为5～15μm，如5～10μm。优选的，所述陶瓷晶须的长径比优选为10～50:1。晶须长径比在一定范围内时，随着晶须长径比增加，晶须可承受的从基体传递的更大应力。晶须长度过短时对拉伸过程中裂纹扩展的阻碍作用不大，晶须长度过长或直径较小则制备过程中不易分散，不利于提高材料强度。

优选的，所述第二陶瓷颗粒和陶瓷晶须的质量比为不超过3:1。进一步优选的，所述第二陶瓷颗粒和陶瓷晶须的质量比为0.5～2:1。

优选的，所述第二陶瓷颗粒为碳化物陶瓷颗粒、氧化物陶瓷颗粒、硼化物陶瓷颗粒、复合陶瓷颗粒中的一种或任意组合；所述复合陶瓷颗粒由碳化物、氧化物、硼化物中任意两种及以上组成。进一步优选的，所述第二陶瓷颗粒为WC颗粒。

优选的，所述陶瓷晶须为碳化物陶瓷晶须、氧化物陶瓷晶须、硼化物陶瓷晶须、复合陶瓷晶须中的一种或任意组合；所述复合陶瓷晶须由碳化物、氧化物、硼化物中任意两种及以上组成。进一步优选的，所述陶瓷晶须为TiB晶须、SiC晶须中的一种或两种。

优选的，所述第一陶瓷颗粒的平均粒径为3～8nm。

本发明的铜基复合材料的制备方法所采用的技术方案为：

一种上述的铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：将由铜铝合金粉、Cu₂O粉、第二陶瓷颗粒和陶瓷晶须组成混合粉体压坯、烧结，然后采用还原气体进行还原，再进行压力加工。

本发明的铜基复合材料的制备方法，以铜铝合金粉中铝作为铝源，氧化铝颗粒通过内氧化工艺生成，进而使生成的纳米级的氧化铝颗粒能够更加均匀的分散在铜基体中，增强铜基体的强度和硬度，使得铜基体对第二相陶瓷颗粒和陶瓷晶须有更强的把持力，在基本保持铜基复合材料的导电性的同时，进一步提高材料的耐磨性和韧性。

优选的，所述混合粉体是将铜铝合金粉、Cu₂O粉、第二陶瓷颗粒和陶瓷晶须球磨混匀得到。所述球磨的料球比为4～6:1。球磨的时间为12～24h。球磨的转速为30～50r/min，如30～40r/min。

优选的，所述铜铝合金粉的平均粒径为10μm～100μm，例如可以为40μm。优选的，所述铜铝合金粉为Cu-(0.05-0.6wt.％)Al合金粉，例如Cu-0.2wt.％Al合金粉。所述Cu₂O粉的平均粒径为500nm～50μm，例如可以为1μm。进一步优选的，铜铝合金粉的平均粒径＞Cu₂O粉的平均粒径。

烧结等高温过程中Cu₂O通过内氧化与铜铝合金粉中Al发生反应生成纳米级的Al₂O₃颗粒增强相，均匀分散在铜基体中。为了使铜铝合金粉中的Al完全被氧化为Al₂O₃，优选的，Cu₂O提供氧为Al氧化需氧量理论值的1.1～1.2倍。

优选的，所述压坯采用的是冷等静压，冷等静压的压力为150～300MPa。其他常规的压坯方法也可以用于本发明。此外，压坯、烧结也可以为热压烧结。

优选的，所述烧结的温度为900～1000℃。进一步优选的，所述烧结的时间为1～3h。为了避免烧结过程中Cu被氧化，烧结过程在无氧条件下进行，如可以在惰性气体保护下进行。

还原处理可以将制备过程中未完全反应的Cu₂O和/或被氧化的Cu还原为Cu，提高铜基金属材料的性能。优选的，所述还原气体为氢气；所述还原的温度为800～900℃。进一步优选的，所述还原的时间为1～3h。

常用的压力加工如热挤压、轧制或锻造等均可以采用，通过压力加工可以提高铜基复合材料的致密度。优选的，所述压力加工为热挤压。所述热挤压的挤压比≥5:1，例如为10:1。经过压力加工，若材料的温度高于室温，也可将其冷却至室温。冷却可以为空冷。

附图说明

图1为实施例1的铜基复合材料在作用力下开裂产生的裂纹扩展面的示意图，其中1-Al₂O₃颗粒，2-WC颗粒，3-SiC晶须；

图2为实施例1的铜基复合材料的纵截面扫描(SEM)图；

图3为实施例2中铜基复合材料的横截面透射(TEM)图，其中4-Al₂O₃颗粒；

图4为实施例2的铜基复合材料的纵截面扫描(SEM)图，其中5-WC颗粒，6-SiC晶须；

图5为实施例3的铜基复合材料的纵截面扫描(SEM)图。

具体实施方式

以下结合具体实施方式本发明的技术方案作进一步的说明。

以下实施例1～3为铜基复合材料的实施例，实施例4～6为铜基复合材料的制备方法的实施例。

实施例1

本实施例的铜基复合材料，由铜基体和分散在铜基体中的Al₂O₃颗粒、WC颗粒、SiC晶须组成；Al₂O₃颗粒占铜基复合材料的质量百分比为0.4％、WC颗粒占铜基复合材料的质量百分比为1.4％、SiC晶须占铜基复合材料的质量百分比为1.4％；其中，Al₂O₃颗粒的平均粒径为5nm，WC颗粒的平均粒径为10μm，SiC晶须的长度为5μm，长径比为10:1。

本实施例的铜基复合材料在作用力下开裂产生的裂纹扩展面如图1所示，其中曲线和箭头所围区域为应力集中区，箭头表示应力方向；当裂纹沿外力方向张开，并沿裂纹面扩展时，陶瓷晶须3在两裂纹扩展面之间架桥，阻止裂纹继续扩展，而Al₂O₃颗粒1和WC颗粒2可以调节晶须3在铜基体中的空间分布、阻碍裂纹扩展的作用。三者互相调节在铜基体中的分布，减少团聚，更好地发挥各自的优势，提高铜基复合材料的综合性能。

实施例2

本实施例的铜基复合材料，由铜基体和分散在铜基体中的Al₂O₃颗粒、WC颗粒、SiC晶须组成；Al₂O₃颗粒占铜基复合材料的质量百分比为0.4％、WC颗粒占铜基复合材料的质量百分比为0.8％、SiC晶须占铜基复合材料的质量百分比为1.6％；其中，Al₂O₃颗粒的平均粒径为5nm，WC颗粒的平均粒径为10μm，SiC晶须的长度为5μm，长径比为10:1。

实施例3

本实施例的铜基复合材料，由铜基体和分散在铜基体中的Al₂O₃颗粒、WC颗粒、SiC晶须组成；Al₂O₃颗粒占铜基复合材料的质量百分比为0.4％、WC颗粒占铜基复合材料的质量百分比为2.4％、SiC晶须占铜基复合材料的质量百分比为1.2％；其中，Al₂O₃颗粒的平均粒径为5nm，WC颗粒的平均粒径为10μm，SiC晶须的长度为5μm，长径比为10:1。

实施例4

本实施例的铜基复合材料的制备方法，为实施例1的铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)分别取平均粒径为40μm的铜铝合金粉、平均粒径为1μm的Cu₂O粉、WC颗粒粉、SiC晶须；铜铝合金粉为Cu-0.2wt.％Al合金粉；WC颗粒粉的平均粒径为10μm；SiC晶须的长度为5μm，长径比为10:1；铜铝合金粉、Cu₂O粉、WC颗粒粉和SiC晶须的质量比为66.9:1.1:1:1；

2)将WC颗粒粉和SiC晶须进行混合得到颗粒晶须混合粉末，再将铜铝合金粉、Cu₂O粉与颗粒晶须混合粉末进行混合，放入球磨机中控制球料质量比为5:1、转速为35r/min球磨16h，得到混合粉体；

3)将混合粉体采用冷等静压进行压坯，制成坯体；冷等静压采用的压力为210MPa；

4)将制成的坯体置于惰性气体保护炉中，通入惰性气体后加热至950℃保温3h，并随炉冷却至室温，得到烧结坯；

5)将烧结坯在氢气气氛中加热至900℃保温2h进行还原，得到还原坯；

6)随后进将还原坯行热挤压，挤压比为10:1，热挤压后空冷至室温，得到热挤压棒材，即得。

本实施例的铜基复合材料的制备方法制得的铜基复合材料为热挤压棒材。

实施例5

本实施例的铜基复合材料的制备方法，为实施例2的铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)分别取平均粒径为40μm的铜铝合金粉、平均粒径为1μm的Cu₂O粉、WC颗粒粉、SiC晶须；铜铝合金粉为Cu-0.2wt.％Al合金粉；WC颗粒粉的平均粒径为10μm；SiC晶须的长度为5μm，长径比为10:1；铜铝合金粉、Cu₂O粉、WC颗粒粉和SiC晶须的质量比为122.5:2:1:2；

2)将WC颗粒粉和SiC晶须进行混合得到颗粒晶须混合粉末，再将铜铝合金粉、Cu₂O粉与颗粒晶须混合粉末进行混合，放入球磨机中控制球料质量比为5:1、转速为35r/min球磨16h，得到混合粉体；

3)将混合粉体采用冷等静压进行压坯，制成坯体；冷等静压采用的压力为210MPa；

4)将制成的坯体置于惰性气体保护炉中，通入惰性气体后加热至950℃保温3h，并随炉冷却至室温，得到烧结坯；

5)将烧结坯在氢气气氛中加热至900℃保温2h进行还原，得到还原坯；

6)随后进将还原坯行热挤压，挤压比为10:1，热挤压后空冷至室温，得到热挤压棒材，即得。

实施例6

本实施例的铜基复合材料的制备方法，为实施例3的铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)分别取平均粒径为40μm的铜铝合金粉、平均粒径为1μm的Cu₂O粉、WC颗粒粉、SiC晶须；铜铝合金粉为Cu-0.2wt.％Al合金粉；WC颗粒粉的平均粒径为10μm；SiC晶须的长度为5μm，长径比为10:1；铜铝合金粉、Cu₂O粉、WC颗粒粉和SiC晶须的质量比为78.3:1.3:2:1；

2)将WC颗粒粉和SiC晶须进行混合得到颗粒晶须混合粉末，再将铜铝合金粉、Cu₂O粉与颗粒晶须混合粉末进行混合，放入球磨机中控制球料质量比为5:1、转速为35r/min球磨16h，得到混合粉体；

3)将混合粉体采用冷等静压进行压坯，制成坯体；冷等静压采用的压力为210MPa；

4)将制成的坯体置于惰性气体保护炉中，通入惰性气体后加热至950℃保温3h，并随炉冷却至室温，得到烧结坯；

5)将烧结坯在氢气气氛中加热至900℃保温2h进行还原，得到还原坯；

6)随后进将还原坯行热挤压，挤压比为10:1，热挤压后空冷至室温，得到热挤压棒材，即得。

以上实施例4～6中球磨为普通球磨，球磨前后所采用第二陶瓷颗粒和陶瓷晶须的尺寸不发生变化。分别对实施例4～6中制备的实施例1～3的铜基复合材料进行SEM测试，并同时对实施例3的铜基复合材料进行TEM测试，结果见图2～5。由图2～5可知，实施例1～3的铜基复合材料中的SiC晶须和WC颗粒均匀的分布在铜基体中，无团聚现象。纳米级Al₂O₃颗粒均匀弥散分布在铜基体中，与铜基体界面结合良好，可在铜基复合材料变形过程中阻碍位错运动，进一步提高铜基复合材料的力学性能。同时，铜基体中WC颗粒和SiC晶须可以互相提高其分布均匀性，达到空间的合理配置，有效减少颗粒晶须在铜基体中的团聚现象。

对比例1

本对比例的铜基复合材料，由铜基体和分散在铜基体中的Al₂O₃颗粒组成；Al₂O₃颗粒占铜基复合材料的质量百分比为0.4％、Al₂O₃颗粒的平均粒径为5nm。

本对比例的铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)取平均粒径分别为40μm和1μm的Cu-0.2wt.％Al合金粉和Cu₂O粉；Cu-0.2wt.％Al合金粉和Cu₂O粉的质量比为62.5：1；

2)将铜铝合金粉和Cu₂O粉放入球磨机中进行混合，球料质量比为5:1，转速为35r/min，球磨时间为16h，得到混合粉体；

3)将混合粉体采用冷等静压进行压坯，制成坯体；冷等静压采用的压力为210MPa；

4)将制成的坯体置于惰性气体保护炉中，通入惰性气体后加热至950℃保温3h，并随炉冷却至室温，得到烧结坯；

5)将烧结坯在氢气气氛中加热至900℃保温2h进行还原，得到还原坯；

6)随后进将还原坯行热挤压，挤压比为10:1，热挤压后空冷至室温，得到热挤压棒材，即得。

对比例2

本对比例的铜基复合材料，由铜基体和分散在铜基体中的Al₂O₃颗粒、陶瓷晶须组成；Al₂O₃颗粒占铜基复合材料的质量百分比为0.4％、陶瓷晶须占铜基复合材料的质量百分比为1.7％；其中，Al₂O₃颗粒的平均粒径为5nm，陶瓷晶须的长度为5μm，长径比为10:1；陶瓷晶须为SiC晶须。

本对比例的铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)分别取平均粒径为40μm的铜铝合金粉、平均粒径为1μm的Cu₂O粉、SiC晶须；铜铝合金粉为Cu-0.2wt.％Al合金粉；SiC晶须的长度为5μm，长径比为10:1；铜铝合金粉、Cu₂O和SiC晶须的质量比为62.5:1:1.1；

2)将SiC晶须、铜铝合金粉、Cu₂O粉进行混合，放入球磨机中控制球料质量比为5:1，转速为35r/min球磨16h，得到混合粉体；

3)将混合粉体采用冷等静压进行压坯，制成坯体；冷等静压采用的压力为210MPa；

4)将制成的坯体置于惰性气体保护炉中，通入惰性气体后加热至950℃保温3h，并随炉冷却至室温，得到烧结坯；

5)将烧结坯在氢气气氛中加热至900℃保温2h进行还原，得到还原坯；

6)随后进将还原坯行热挤压，挤压比为10:1，热挤压后空冷至室温，得到热挤压棒材，即得。

对比例3

本对比例的铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)取平均粒径为40μm的铜粉放入球磨机中，控制球料质量比为5:1、转速为35r/min球磨16h；

2)将球磨后的铜粉采用冷等静压进行压坯，制成坯体；冷等静压采用的压力为210MPa；

3)将制成的坯体置于惰性气体保护炉中，通入惰性气体后加热至950℃保温3h，并随炉冷却至室温，得到烧结坯；

4)将烧结坯在氢气气氛中加热至850℃保温2h；

5)随后进行热挤压，挤压比为10:1，热挤压后空冷至室温，得到热挤压棒材，即得。

实验例

分别对采用实施例4～6的制备方法制备的实施例1～3的铜基复合材料以及对比例1～3制备的铜基复合材料的致密度、导电率、极限抗拉强度和硬度进行测试(实施例1～3和对比例1～3的铜基复合材料外观尺寸相同)，测试结果见表1。

铜基复合材料的致密度测定时，先采用New Classic MF密度仪进行测定密度，再计算致密度，原理是阿基米德排水法；硬度测试采用320HBS-3000型数显式布氏硬度计进行测定；极限抗拉强度采用AUTOGRAPH AGI250KN拉伸试验机进行(拉伸)试验测定。

表1实施例1～3以及对比例1～3制得的铜基复合材料的性能测试结果

铜基复合材料	致密度/％	导电率/％IACS	极限抗拉强度/MPa	硬度/HBW
					实施例1	98.8	75.1	506.9	162.0
实施例2	97.9	74.3	531.6	168.3
					实施例3	97.6	75.9	470.3	156.3
对比例1	99.7	85.7	471.5	140.0
					对比例2	97.0	69.8	508.9	164.3
对比例3	99.9	100.8	228.4	60.1

Claims (10)

1.一种铜基复合材料，其特征在于：包括铜基体和分散在铜基体中的第一陶瓷颗粒、第二陶瓷颗粒和陶瓷晶须；所述第一陶瓷颗粒为平均粒径＜100nm的氧化铝颗粒，占铜基复合材料的质量百分比为0.1～0.5％；所述第二陶瓷颗粒和陶瓷晶须占铜基复合材料总的质量百分比不超过10％；所述第二陶瓷颗粒的平均粒径为1μm～50μm。

2.根据权利要求1所述的铜基复合材料，其特征在于：所述陶瓷晶须的长度为5～15μm，长径比为10～50:1。

3.根据权利要求1所述的铜基复合材料，其特征在于：所述第二陶瓷颗粒和陶瓷晶须的质量比为不超过3:1。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的铜基复合材料，其特征在于：所述第二陶瓷颗粒为碳化物陶瓷颗粒、氧化物陶瓷颗粒、硼化物陶瓷颗粒、复合陶瓷颗粒中的一种或任意组合；所述复合陶瓷颗粒由碳化物、氧化物、硼化物中任意两种及以上组成。

5.根据权利要求4所述的铜基复合材料，其特征在于：所述第二陶瓷颗粒为WC颗粒。

6.根据权利要求1～3中任意一项所述的铜基复合材料，其特征在于：所述陶瓷晶须为碳化物陶瓷晶须、氧化物陶瓷晶须、硼化物陶瓷晶须、复合陶瓷晶须中的一种或任意组合；所述复合陶瓷晶须由碳化物、氧化物、硼化物中任意两种及以上组成。

7.根据权利要求6所述的铜基复合材料，其特征在于：所述陶瓷晶须为TiB晶须、SiC晶须中的一种或两种。

8.一种如权利要求1～7中任意一项所述的铜基复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：将由铜铝合金粉、Cu₂O粉、第二陶瓷颗粒和陶瓷晶须组成混合粉体压坯、烧结，然后采用还原气体进行还原，再进行压力加工。

9.根据权利要求8所述的铜基复合材料的制备方法，其特征在于：所述铜铝合金粉的平均粒径为10μm～100μm。

10.根据权利要求8或9所述的铜基复合材料的制备方法，其特征在于：所述压力加工为热挤压；所述热挤压的挤压比≥5:1。

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