CN112553681B - 一种大块体单晶铜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大块体单晶铜的制备方法，包括如下步骤：(1)将多晶铜坯料在熔点以下高温退火处理，得到等轴晶粒多晶铜；(2)将步骤(1)退火后的等轴晶粒多晶铜坯料挤压成型，获得多晶铜集合体；(3)将步骤(2)挤压成型的多晶铜集合体在高温再次进行退火处理，即得到块体单晶铜。本发明一种大块体单晶铜的制备方法，通过无熔融法，制备大尺寸单晶铜。该方法利用预挤压处理，然后高温退火制备了大块体单晶铜棒材。本发明工艺简单，易于控制，成本低，易于大规模推广。

Description

一种大块体单晶铜的制备方法
技术领域
本发明涉及金属单晶材料的制备领域，特别涉及一种大块体单晶铜的制备方法。
背景技术
晶界(grain boundary)是结构相同而取向不同晶粒之间的界面。在晶界面上，原子排列从一个取向过渡到另一个取向，故晶界处原子排列处于过渡状态。
晶粒与晶粒之间的接触界面叫做晶界。无机非金属材料是由微细粉料烧结而成的。在烧结时，众多的的微细颗粒形成大量的结晶中心。当它们发育成晶粒并逐渐长大到相遇时就形成晶界。因为去除了晶界，单晶铜具有优异的电学性能、信号传输性能、机械加工和抗疲劳性能，主要用于通讯、硬盘、音响等高端民用和国防技术。
传统的铜单晶制备技术例如光学浮区法，Bridgeman法以及Czochralski法等，其基本原理是对铜多晶金属加热至熔点以上进行熔融，然后利用籽晶定向凝固形成单晶。
目前单晶铜制备主要基于单晶连铸技术(OCC,Ohno Continuous Casting)，即将普通多晶铜材运用凝固理论，通过热型连续铸造技术改变其晶体结构为单晶。这些制备方法都需严格控制熔体凝固前沿温度梯度，固液两相区长度以及界面位置，拉铸(提拉)速度、气氛保护等参数，工艺复杂，成本较高，无法实现大规模单晶铜生产。
本发明利用非熔融法制备单晶，不必加热至熔点以上，节约成本，适合批量生产，此外还有制备单晶纯度高，易于推广等优点，展现出巨大的市场优势。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的非熔融法大块体单晶铜的制备方法，旨在解决现有技术中大块体高纯度单晶铜制备工艺复杂，成本过高的问题。
为解决上述技术问题，本发明的目的是这样实现的：
本发明所涉及的一种大块体单晶铜的制备方法，包括如下步骤：
(1)将多晶铜坯料在熔点以下高温退火处理，得到等轴晶粒多晶铜；
(2)将步骤(1)退火后的等轴晶粒多晶铜坯料挤压成型，获得多晶铜集合体；
(3)将步骤(2)挤压成型的多晶铜集合体在高温再次进行退火处理，即得到块体单晶铜。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所使用的多晶铜坯料的纯度为99.9999％。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：在步骤(3)中先对多晶铜集合体进行酸洗并干燥，放入石英管对干燥后的多晶铜集合体封装，再进行退火处理。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：步骤(3)中，使用管式炉对多晶铜集合体进行退火处理。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：步骤(3)中，退火处理后进行表面抛光。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述多晶铜集合体的截面为圆形。
本发明的有益效果是：
本发明一种大块体单晶铜的制备方法，通过无熔融法，制备大尺寸单晶铜。该方法利用预挤压处理，然后高温退火制备了大块体单晶铜棒材。本发明工艺简单，易于控制，成本低，易于大规模推广。
附图说明
图1是本发明所涉及的大块体单晶铜的制备方法的流程图；
图2是本发明所制备的单晶铜棒示意图；
图3是本发明所制备的单晶铜棒的电子背散射(EBSD)图；
图4是本发明所制备的单晶铜棒的X射线衍射(XRD)图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
实施例
结合图1至图4，对本实施例作详细说明。本实施例所涉及的一种大块体单晶铜的制备方法，包括如下步骤：
(1)将多晶铜坯料在熔点以下高温退火处理，得到等轴晶粒多晶铜；所使用的多晶铜坯料的纯度为99.9999％。
在本步骤中，是将酸洗干燥后多晶铜坯料在真空炉中进行高温退火，炉内压力低于1×10-3Pa，在80-90min内升温至950-1000℃，退火时间为10小时。
(2)将步骤(1)退火后的等轴晶粒多晶铜坯料挤压成型，获得多晶铜集合体。多晶铜集合体的截面可以是圆形，亦或者是椭圆形、正多边形等。在本实施例中，如图2所示，所用的是直径为7mm，长度为15cm的多晶铜圆棒。之所以使用圆棒是因为，作为截面为圆形，可使得多晶铜圆棒在截面上各向同性较好。可以使制备的单晶铜的截面上更均匀。
(3)将步骤(2)挤压成型的多晶铜圆棒表面进行酸洗干燥，然后放入石英管对干燥后的铜棒封装。然后放入管式炉中进行热处理，即再次进行高温退火处理，即得到块体单晶铜。退火处理后对铜棒进行切割，镶嵌，表面抛光后进行单晶表征实验。
对多晶铜棒表面进行酸洗，是指将多晶铜圆棒浸入35-40％的硝酸中，至表面出现一致的反光面为限。并在去离子水中清洗至中性再干燥。
将表面经过酸洗的铜棒，置于石英管内，利用真空泵将体系的压强抽至真空度低于1×10-3Pa，由室温升至退火温度的时间为90-100min，升温至1000-1040℃，保持60小时的高温退火处理。
在本实施例中，具体的石英管内的压强低于1×10-3Pa，在100min内升温至1035℃，并保持60小时的退火时间。
退火后的铜棒进行切割，镶嵌，并进行机械抛光和电化学抛光处理。具体地，使用金刚石线切割机对退火后的铜棒沿端面切割；切割后的铜块先利用环氧树脂进行镶嵌，然后在抛光机上进行机械抛光。机械抛光采用粒径为0.5μm的金刚石研磨膏，转速为120r/min；最后使用抛光液对机械抛光后后的铜棒进行表面电化学抛光，所使用的抛光液是由质量百分经浓度为98％的磷酸与乙二醇按照体积比3：1混合组成，电压5V,抛光时间120s。在抛光后采用去离子水进行清洗，干燥。最后进行X射线衍射以及电子背散射单晶表征实验。
图3是单晶铜棒的电子背散射(EBSD)图，可知单晶铜圆棒的表面晶体取向均为Cu(111)。图4是单晶铜棒的X射线衍射(XRD)图，通过图4中可以分析出Cu(111)的取向一致，即为大部分为同一取向角度的Cu(111)。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种大块体单晶铜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将多晶铜坯料在熔点以下高温退火处理，得到等轴晶粒多晶铜；
(2)将步骤(1)退火后的等轴晶粒多晶铜坯料挤压成型，获得多晶铜集合体；
(3)将步骤(2)挤压成型的多晶铜集合体在高温再次进行退火处理，即得到块体单晶铜。
2.根据权利要求1所述的大块体单晶铜的制备方法，其特征在于，所使用的多晶铜坯料的纯度为99.9999％。
3.根据权利要求1所述的大块体单晶铜的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中先对多晶铜集合体进行酸洗并干燥，放入石英管对干燥后的多晶铜集合体封装，再进行退火处理。
4.根据权利要求3所述的大块体单晶铜的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，使用管式炉对多晶铜集合体进行退火处理。
5.根据权利要求1所述的大块体单晶铜的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，退火处理后进行表面抛光。
6.根据权利要求1至5任一项所述的大块体单晶铜的制备方法，其特征在于，所述多晶铜集合体的截面为圆形。
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