CN112301252A - 一种纳米铜基复合材料的制备方法 - Google Patents

一种纳米铜基复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种纳米铜基复合材料的制备方法，属于铜基复合材料领域。该纳米铜基复合材料的制备方法包括：1)将纳米铜粉或纳米铜合金粉与增强相混匀，得到混合粉末；2)将混合粉末在压实过程中施加超声振动，得到高致密度压坯；3)将高致密度压坯在200‑400℃下烧结成形。该制备方法以纳米铜粉或纳米铜合金粉为基体原料，在粉末压实的过程中加入超声场，实现外场诱导粉体高致密化成形，获得高致密度压坯，高致密度压坯中颗粒之间的接触面积远大于常规压坯，进而可以在较低的温度下烧结成形，此时纳米颗粒之间的接触界面直接转化为晶界，避免高温烧结过程中的晶粒长大，最终实现较小晶粒和较高力学性能的铜基复合材料的制备。

Description

一种纳米铜基复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于铜基复合材料领域，具体涉及一种纳米铜基复合材料的制备方法。
背景技术
铜基复合材料是在铜及其合金中加入颗粒、晶须、纤维等增强相得到的复合材料。铜基复合材料在保持铜基体良好的导电、导热和易于加工性能的基础上，其室温强度、高温强度、耐磨性能等机械性能也得到提高。
铜基复合材料的制备工艺有粉末冶金法、热压法、真空铸造法、反应喷射沉积法等，粉末冶金法因具有原料混料均匀、烧结温度低、制备工艺简单等优点，已成为铜基复合材料的主要制备方法之一。如公布号为CN107557609A的中国专利申请公开了一种纳米氧化铝颗粒弥散强化的铜合金及其制备方法，该制备方法是以Cu-Al合金粉、氧化剂为原料，经氢气干燥、压制、致密化、精加工等工序制得铜基复合材料。
目前，现有的铜基复合材料，往往在硬度和韧性方面难以兼顾，在提高材料硬度的同时往往会损失韧性，这使铜基复合材料在特殊领域的使用寿命和应用效果受到限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米铜基复合材料的制备方法，以解决现有粉末冶金法制得的铜基复合材料，硬度和韧性难以兼顾的问题。
为实现上述目的，本发明的纳米铜基复合材料的制备方法的技术方案是：
一种纳米铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将纳米铜粉或纳米铜合金粉与增强相混匀，得到混合粉末；
2)将混合粉末在压实过程中施加超声振动，得到致密度为95％以上的高致密度压坯；
3)将高致密度压坯在200-400℃下烧结成形，即得。
现有粉末冶金法制备铜基复合材料的过程中，压坯和后续的高温烧结(通常在800℃以上)过程实现了材料的高致密化和粉末之间的良好结合。但问题在于材料的硬度和韧性难以得到兼顾。
本发明提供的纳米铜基复合材料的制备方法，主要以构建纳米晶粒(为以纳米晶粒为主)作为复合材料基体，基体的晶粒尺寸为不大于1μm的纳米级或亚微米级，这些细小的基体晶粒具有细晶强化作用，而且材料内细小、众多的晶界可以有效抑制晶粒之间的位错、滑移，可以在改善复合材料硬度的同时，使韧性也得到一定程度的改善。
以纳米铜粉或纳米铜合金粉为基体原料，在粉末压实的过程中加入超声场，实现外场诱导粉体高致密化成形，通过控制压坯的致密度和烧结成形的温度，使纳米颗粒之间的接触界面直接转化为晶界，避免高温烧结过程中的晶粒长大，最终实现较小晶粒和较高力学性能的铜基复合材料的制备。
粉末超声振动压坯所采用的设备可采用现有设备，在粉末压制过程中施加超声振动，可使粉末表现出使得粉末表现出体积效应和表面效应，在粉末本身的动态变形阻力降低的同时，消减粉体颗粒间以及粉体颗粒与模壁之间的摩擦。超声振动压制不仅可以有效提高压坯的密度和硬度，同时还提高粉体压坯的均匀性，获得高致密度压坯。
从原料成本及优化压坯的高致密化方面出发，优选的，步骤1)中，所述纳米铜粉或纳米铜合金粉的粒径为20-200nm。优选为20-100nm，更优选为20-50nm。纳米铜粉或纳米铜合金粉的颗粒内对应一个或数个晶粒，采用该粒径级别的原料粉末即可方便制备性能优良的纳米铜基复合材料。
优选的，所述增强相为纳米增强相。选用纳米增强相可实现最终产品微观尺寸的全纳米化。在一些需要提高材料强度和耐磨性的场合，优选的，所述增强相为镀铜碳纳米管、石墨烯、镀铜石墨烯中的一种或几种，如可以为两种或三种的组合。从增强相的增强效果和分布难易程度方面综合考虑，优选的，所述增强相在纳米铜基复合材料中的体积分数为0.1-10％。
为更高程度的降低烧结温度，优选的，步骤2)中，所述高致密度压坯的致密度为95％以上。致密度为压坯真实密度和理论密度之比，可通过质量体积法测试得到压坯的真实密度。
为进一步改善压坯效果，针对直径10-50mm，高20-100mm的压坯，优选的，步骤2)中，压实过程中，超声振动的功率为0.5-10kW，振动频率为20-30kHz，振幅为0.05-2μm，时间为10-1000s。压制的压力为400-800MPa。压制时的温度可控制在15-25℃，优选为20℃。以上压制和超声条件的选择，可依据压坯的大小而定，以达到不低于致密度95％为较佳。超声振动的功率包括但不限于3、4、5、6、7、8kW。时间可以为60-900s，优选300-900s，更优选500-900s。
步骤2)的压坯过程中，主要经历了粉末原料由无序到有序形成有序堆积体，以及有序堆积体的微观变形两个阶段，在形成有序堆积体的过程中，通过超声振动和以上压制条件控制，可使纳米粉体形成良好的有序堆积体，这样在微观变形阶段，超声振动引起的摩擦系数降低，降低了压制压力沿压制方向的损耗，粉末压坯的内部的等效应力分布更均匀，颗粒之间的变形量小且均匀，不会有颗粒压碎的情形存在，有利于形成高致密度压坯，同时减少了粉末压坯脱模时因内应力分布不均产生的压坯破损。该过程可以为低温烧结作好准备，有效避免颗粒之间融合长大。
步骤3)中，烧结成形的时间为1-3h。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的铜基复合材料的SEM照片；
图2为对比例的铜基复合材料的SEM照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的实施方式作进一步说明。
一、本发明的纳米铜基复合材料的制备方法具体实施例
实施例1
本实施例的纳米铜基复合材料的制备方法，具体采用以下步骤进行制备：
1)将粒径为20-30nm的纳米铜粉和镀铜碳纳米管在乙醇水溶液(乙醇的体积比为10％)中混合均匀，烘干后得到混合粉末；
2)将混合粉末在压实过程中施加超声振动，使机械压力和超声振动同时作用于混合粉末，超声电源的驱动功率为2kW，超声振动的频率为20kHz，振幅为1μm，超声作用时间为600s。
凹模直径50mm，压坯高50mm(相当于压制前的混合粉末的堆积尺寸)。压制温度20℃，压制压力600MPa，压制时间与超声作用时间相同。
将超声振动压制成型的压坯从模具中脱出，得到致密度为95％的高致密度压坯。
3)在氮气气氛下，将高致密度压坯在300℃下烧结2h，即得纳米铜基复合材料制品。
该实施例所得纳米铜基复合材料由铜基体和碳纳米管组成，铜基体的晶粒尺寸为纳米级，碳纳米管的体积分数为0.5％。碳纳米管的管径为2-30nm，长度为0.1-50μm。
实施例2
本实施例的纳米铜基复合材料的制备方法，与实施例1的制备步骤的区别在于：步骤3)中，将高致密度压坯在150℃下烧结3h。
实施例3
本实施例的纳米铜基复合材料的制备方法，与实施例1的制备步骤的区别在于：步骤3)中，将高致密度压坯在200℃下烧结3h。
实施例4
本实施例的纳米铜基复合材料的制备方法，与实施例1的制备步骤的区别在于：步骤3)中，将高致密度压坯在250℃下烧结2h。
实施例5
本实施例的纳米铜基复合材料的制备方法，与实施例1的制备步骤的区别在于：步骤3)中，将高致密度压坯在300℃下烧结1h。
实施例6
本实施例的纳米铜基复合材料的制备方法，与实施例1的制备步骤的区别在于：步骤3)中，将高致密度压坯在350℃下烧结1.5h。
实施例7
本实施例的纳米铜基复合材料的制备方法，与实施例1的制备步骤的区别在于：步骤3)中，将高致密度压坯在400℃下烧结1h。
实施例8
本实施例的纳米铜基复合材料的制备方法，与实施例1的制备步骤的区别在于：碳纳米管在铜基复合材料中的体积分数为2.5％。
实施例9
本实施例的纳米铜基复合材料的制备方法，与实施例1的制备步骤的区别在于：碳纳米管在铜基复合材料中的体积分数为5％。
实施例10
本实施例的纳米铜基复合材料的制备方法，与实施例1的制备步骤的区别在于：所使用的增强相为石墨烯，石墨烯的体积分数为1.5％，石墨烯的片径为100nm-10μm。
实施例11
本实施例的纳米铜基复合材料的制备方法，与实施例10的制备步骤的区别在于：所使用的增强相为石墨烯，石墨烯的体积分数为2.5％。
实施例12
本实施例的纳米铜基复合材料的制备方法，与实施例10的制备步骤的区别在于：所使用的增强相为石墨烯，石墨烯的体积分数为4％。
实施例13
本实施例的纳米铜基复合材料的制备方法，与实施例10的制备步骤的区别在于：使用纳米铜合金粉替换纳米铜粉，纳米铜合金粉为铜钨合金，粒径为50nm。铜钨合金的质量分数组成为：Cu50％、W 50％。
在本发明的纳米铜基复合材料的制备方法的其他实施例中，压坯(压制前的混合粉末堆积料)的直径可以为10、20、30、40mm，高度可以为20、30、40、60、70、80、90、100mm。相应的，可调节超声振动的功率为3、4、5、6、7、8kW，频率可以为25、28kHz不等，振幅为0.05、0.2、0.5、0.8、1.2、1.5μm，时间可以为120、180、240、300、400、500、800、900s不等，压制压力可以为400、500、700、800MPa不等，从而得到致密度为95％以上的高致密度压坯。
二、对比例
对比例采用传统粉末冶金法制备铜基复合材料，与实施例1的制备步骤的区别在于：步骤2)压坯的过程中不施加超声振动，步骤3)中，在900℃烧结5h，得到的铜基复合材料。计算其致密度为80％。
三、实验例
实验例1
本实验例对实施例1和对比例中的铜基复合材料试样进行取样测试，SEM照片如图1、图2所示。
结果表明，在超声作用下，复合材料组织致密，晶粒均匀细小，大部分晶粒不足1μm。而传统粉末冶金法制备铜基复合材料的晶粒超过10μm。
实验例2
本实验例测试实施例和对比例的铜基复合材料的力学性能。
表1实施例和对比例的铜基复合材料的力学性能对比
实例编号 布氏硬度(HBS) 延伸率(％)
实施例1 92 7.2
对比例 67 6.7
实施例1和对比例的铜基复合材料的力学性能如表1所示，由于细晶强化效果，实施例1试样的布氏硬度相较于对比例提升37％，且延伸率也有一定改善。

Claims (8)

1.一种纳米铜基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将纳米铜粉或纳米铜合金粉与增强相混匀，得到混合粉末；
2)将混合粉末在压实过程中施加超声振动，得到致密度为95％以上的高致密度压坯；
3)将高致密度压坯在200-400℃下烧结成形。
2.如权利要求1所述的纳米铜基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述纳米铜粉或纳米铜合金粉的粒径为20-200nm。
3.如权利要求1所述的纳米铜基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述增强相为纳米增强相。
4.如权利要求3所述的纳米铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述纳米增强相为镀铜碳纳米管、石墨烯、镀铜石墨烯中的一种或几种。
5.如权利要求1-4中任一项所述的纳米铜基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述增强相在纳米铜基复合材料中的体积分数为0.1-10％。
6.如权利要求5所述的纳米铜基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，压实过程中，超声振动的功率为0.5-10kW，振动频率为20-30kHz，振幅为0.05-2μm，时间为10-1000s。
7.如权利要求6所述的纳米铜基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，压制的压力为400-800MPa。
8.如权利要求1所述的纳米铜基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3)中，烧结成形的时间为1-3h。
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