CN114425560A - 铝/铜/铝复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了铝/铜/铝复合材料的制备方法，组元材料为纯铝、纯铜，添加镍箔作为中间层，然后对材料进行预处理，通过“中间层+冷轧+热处理”的方式制备铝/铜/铝复合材料；铜与镍在固态和液态都能无限固溶，形成一系列连续固溶体不会形成金属间化合物，添加镍促进铝、铜在低温轧制条件下进行双向连接，避免了Al2Cu、Al4Cu9等脆硬相的生成，结合界面仅以固溶体的方式进行连接，从而实现优良的连接。本发明铝‑铜‑铝复合材料的制备方法，结合界面强度高，界面层均匀，同时还具有较高的拉伸强度，其制备工艺简单可靠，绿色环保。
Description
技术领域
本发明属于层状复合材料制备技术领域，具体涉及铝/铜/铝复合材料的制备方法。
技术背景
铜/铝双金属复合材料不仅具有铜材的高导电、导热性，同时具有铝材质轻、耐腐蚀、美观、经济等优点。铜/铝双金属复合材料可以在减轻40％重量的前提下达到和铜材相差无几的高导电、导热率，同时价格只有铜材的60％。由于其优良的力学和导电、导热性能，铜/铝双金属复合材料已广泛应用在电力、电子、电器、汽车、航空航天等领域。目前，铜/铝双金属复合材料主要采用熔铸法、爆炸焊、扩散焊、轧制等焊接的方法实现铜/铝双金属的连接。上述方法的连接温度都在550℃以上，但是由于铜、铝两种金属熔点相差424℃，线膨胀系数相差40％以上，在连接过程中，两种金属不仅易形成金属氧化物和金属间化合物，而且使用过程中易生成裂纹，极大的降低了结合强度。
根据铜镍二元相图可知，铜与镍在固态和液态都能无限固溶,形成一系列连续固溶体不会形成金属间化合物。这在一定程度可以促进铜/铝双金属的连接。但是铜、镍、铝这三种金属在化学成分、熔点、导热性能、线膨胀系数及电阻率等方面却有较大的差异,这仍会给连接带来很大困难。
为了解决上述问题。因此，需要提出一种新的工艺来制备出一种高性能的铝/铜/铝复合材料。
发明内容
本发明目的是提供铝/铜/铝复合材料的制备方法，通过中间层添加镍箔的方法来实现铜/铝双金属之间的可靠性连接，以此来避免铜和铝之间的剧烈反应，从而形成具有一定强度结合强度的铜铝复合材料，同时还能满足工业实际应用。
本发明所采用的技术方案是，铝/铜/铝复合材料的制备方法，组元材料为纯铝、纯铜，添加镍箔作为中间层，然后对材料进行预处理，通过“中间层+冷轧+热处理”的方式制备铝/铜/铝复合材料。
本发明的特点还在于：
其中铝/铜/铝复合材料的制备方法具体按以下步骤实施：
步骤1，准备铜板、铝板和镍箔；
步骤2，对铜板和铝板进行退火处理；
步骤3，将铝板碱洗，铜板进行表面处理，然后将处理后的铜板以及镍箔进行酸洗，放入超声波清洗仪内清洗，最后吹干；
步骤4，将步骤3中表面处理后的两片镍箔置于铝板和铜板之间，将组合后的铝-镍-铜-镍-铝复合结构经过轧机进行轧制；
步骤5，对轧制后的复合材料进行退火处理，获得铝/铜/铝复合材料；
其中步骤1中铝板边长/铜板边长＞1，镍箔长宽与铜板保持一致，铝板为1060纯铝、铜板为T2纯铜；
其中步骤2中铜板进行温度为300～375℃，时间为0.5～2h的退火处理，对纯铝进行温度150～350℃，时间为0.5～3.5h的退火处理；
其中步骤3中将铝板放入10％NaOH溶液中进行10min碱洗，将步骤2的铜块先用钢刷打磨掉表面的氧化物，然后将处理后的铜板以及镍箔放入10％的硝酸酒精溶液中进行酸洗，酸洗10min，然后放入超声波清洗仪内，加入酒精清洗30min，最后用吹风机吹干；
其中步骤4中采用一道次轧制法，轧制率为60％～80％；
其中步骤5中对轧制后的复合材料进行温度为350～550℃，时间为2～12h的退火处理，获得铝/铜/铝复合材料；结合界面以固溶体的方式进行连接。
本发明的有益效果是
本发明的铝/铜/铝复合材料的制备方法，选择镍作中间过渡层抑制铜铝金属间化合物的生成，有效抑制了裂纹的产生，并于界面生成了铜镍固溶体，可以大幅提高界面强度。铜板进行钢刷打磨，提高轧制过程中的机械结合，可以提高结合强度。在轧制过程中，因为铝板比铜板尺寸大，所以一道次轧制后铝板可以形成低真空包覆状态，避免后续退火时进一步氧化，可以大幅提高界面强度。轧制法制备铝/铜/铝复合材料，操作简单，成本低，还具备良好的界面结合，其拉伸强度最高可达124MPa。
附图说明
图1是本发明制备铝/铜/铝复合材料的工艺流程图；
图2是本发明一种铝/铜/铝复合材料的制备方法中实施案例1～4中铝/铜/铝复合材料的界面形貌图；
图3是本发明一种铝/铜/铝复合材料的制备方法中实施案例1～4中铝/铜/铝复合材料的拉伸强度曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了铝/铜/铝复合材料的制备方法，首先将准备好的铜板和铝板进行退火处理，再将铜板用钢刷进行表面处理；然后铜板和镍箔进行酸洗，铝板进行碱洗；再将铜板、铝板和镍箔按照三明治结构进行组坯轧制；最终将轧制好的材料进行退火处理；
如图1所示，具体按照如下步骤进行：
步骤1，准备好铜板、铝板和镍箔，铝板边长/铜板边长＞1，镍箔长宽与铜板保持一致；
步骤2，对T2纯铜进行温度为300～375℃，时间为0.5～2h的退火处理，对1060纯铝进行温度150～350℃，时间为0.5～3.5h的退火处理；
步骤3，将步骤2的铝板放入10％NaOH溶液中进行10min碱洗，将步骤2的铜块先用钢刷打磨掉表面的氧化物，然后将处理后的铜板以及镍箔放入10％的硝酸酒精溶液中进行酸洗，酸洗10min，然后放入超声波清洗仪内，加入酒精清洗30min，最后用吹风机吹干；
步骤4，将步骤3中表面处理后的两片镍箔置于铝和铜之间，将组合后的铝-镍-铜-镍-铝复合结构经过轧机进行轧制，采用一道次轧制法，轧制率为60％～80％；
步骤5，对轧制后的复合材料，进行温度为350～550℃，时间为2～12h的退火处理，获得铝/铜/铝复合材料；结合界面以固溶体的方式进行连接，从而实现优良的连接。
下面通过具体的实施案例对本发明铝/铜/铝复合材料的制备方法进行进一步详细解释。
实施案例1
裁取两块1060纯铝长宽高分别为75×15×5mm，T2纯铜长宽高分别为60×15×2mm，裁取镍箔长宽分别为60×15mm,厚度10μm。对T2纯铜进行温度为375℃，时间为1.5h的退火处理，对1060纯铝进行温度300℃，时间为1h的退火处理。将铝块放入10％NaOH溶液中进行10min碱洗，将铜块先用钢刷打磨掉表面的氧化物，然后和镍箔材放入10％的硝酸酒精溶液中进行酸洗，酸洗10min，放入超声波清洗仪内，加酒精清洗30min。将表面处理后的两片镍箔置于铝和铜之间，经过一定的组坯方式，将组合后的铝-镍-铜-镍-铝复合材料经过轧机进行轧制，采用一道次轧制法，轧制率为72％，对轧制后的复合材料，进行温度为350℃，时间为2h的退火处理，获得铝/铜/铝复合材料，其界面组织如图2中(a)所示，无金属间化合物生成，可以明显发现镍箔存在；测其界面拉伸强度为124MPa，如图3中实施案例1曲线。
实施案例2
裁取两块1060纯铝长宽高分别为75×15×5mm，T2纯铜长宽高为60×15×2mm，裁取镍箔长宽分别为60×15mm,厚度20μm。对T2纯铜进行温度为350℃，时间为2h的退火处理，对1060纯铝进行温度250℃，时间为1.5h的退火处理。将铝块放入10％NaOH溶液中进行10min碱洗，将铜块先用钢刷打磨掉表面的氧化物，然后和镍箔材放入10％的硝酸酒精溶液中进行酸洗，酸洗10min，放入超声波清洗仪内，加酒精清洗30min。将表面处理后的两片镍箔置于铝和铜之间，经过一定的组坯方式，将组合后的铝-镍-铜-镍-铝复合材料经过轧机进行轧制，采用一道次轧制法，轧制率为60％，对轧制后的复合材料，进行温度为400℃，时间为12h的退火处理，获得铝/铜/铝复合材料。其界面组织如图2中(b)所示，金属间化合物呈断续分布，无明显镍箔存在；测其界面拉伸强度为109MPa,如图3中实施案例2曲线。
实施案例3
裁取两块1060纯铝长宽高分别为75×15×5mm，T2纯铜长宽高分别为60×15×2mm，裁取镍箔长宽分别为60×15mm,厚度10μm。对T2纯铜进行温度为335℃，时间为2.5h的退火处理，对1060纯铝进行温度300℃，时间为1h的退火处理。将铝块放入10％NaOH溶液中进行10min碱洗，将铜块先用钢刷打磨掉表面的氧化物，然后和镍箔材放入10％的硝酸酒精溶液中进行酸洗，酸洗10min，放入超声波清洗仪内，加酒精清洗30min。将表面处理后的两片镍箔置于铝和铜之间，经过一定的组坯方式，将组合后的铝-镍-铜-镍-铝复合材料经过轧机进行轧制，采用一道次轧制法，轧制率为80％，对轧制后的复合材料，进行温度为450℃，时间为6h的退火处理，获得铝/铜/铝复合材料。其界面组织如图2中(c)所示，有明显金属间化合物生成，平均厚度为210μm，相较于案例2，金属间化合物大量生成，是由于铝镍反应导致；测其界面拉伸强度为117MPa,如图3中实施案例3曲线。
实施案例4
裁取两块1060纯铝长宽高分别为75×15×5mm，T2纯铜长宽高分别为60×15×2mm，裁取镍箔长宽分别为60×15mm,厚度10μm。对T2纯铜进行温度为375℃，时间为1.5h的退火处理，对1060纯铝进行温度335℃，时间为1h的退火处理。将铝块放入10％NaOH溶液中进行10min碱洗，将铜块先用钢刷打磨掉表面的氧化物，然后和镍箔材放入10％的硝酸酒精溶液中进行酸洗，酸洗10min，放入超声波清洗仪内，加酒精清洗30min。将表面处理后的两片镍箔置于铝和铜之间，经过一定的组坯方式，将组合后的铝-镍-铜-镍-铝复合材料经过轧机进行轧制，采用一道次轧制法，轧制率为75％，对轧制后的复合材料，进行温度为550℃，时间为4h的退火处理，获得铝/铜/铝复合材料。其界面组织如图2中(d)所示，有明显金属间化合物生成，平均厚度为225μm，界面厚度较案例3增加，温度提高促进中间化合产生；其界面拉伸强度为115Mpa，如图3中实施案例4曲线。
实施案例5
裁取两块1060纯铝长宽高分别为75×15×5mm，T2纯铜长宽高分别为60×15×2mm,此案例不加镍箔。对T2纯铜进行温度为375℃，时间为1.5h的退火处理，对1060纯铝进行温度335℃，时间为1h的退火处理。将铝块放入10％NaOH溶液中进行10min碱洗，将铜块先用钢刷打磨掉表面的氧化物，然后放入10％的硝酸酒精溶液中进行酸洗，酸洗10min，放入超声波清洗仪内，加酒精清洗30min。将表面处理后的两片镍箔置于铝和铜之间，经过一定的组坯方式，将组合后的铝-铜-铝复合材料经过轧机进行轧制，采用一道次轧制法，轧制率为75％，对轧制后的复合材料，进行温度为350℃，时间为2h的退火处理，获得铝/铜/铝复合材料。其界面组织如图2中(e)所示，有金属间化合物生成，平均厚度为22μm；测其界面拉伸强度为108MPa，如图3中实施案例5曲线，其拉伸强度和形变是所有案例最小，原因为铜铝间形成的是脆性化合物，导致其形变低，拉伸强度低。
Claims (7)
1.铝/铜/铝复合材料的制备方法，其特征在于，组元材料为纯铝、纯铜，添加镍箔作为中间层，然后对材料进行预处理，通过“中间层+冷轧+热处理”的方式制备铝/铜/铝复合材料。
2.根据权利要求1所述的铝/铜/铝复合材料的制备方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：
步骤1，准备铜板、铝板和镍箔；
步骤2，对铜板和铝板进行退火处理；
步骤3，将铝板碱洗，铜板进行表面处理，然后将处理后的铜板以及镍箔进行酸洗，放入超声波清洗仪内清洗，最后吹干；
步骤4，将步骤3中表面处理后的两片镍箔置于铝板和铜板之间，将组合后的铝-镍-铜-镍-铝复合结构经过轧机进行轧制；
步骤5，对轧制后的复合材料进行退火处理，获得铝/铜/铝复合材料。
3.根据权利要求2所述的铝/铜/铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中铝板边长/铜板边长＞1，镍箔长宽与铜板保持一致，铝板为1060纯铝、铜板为T2纯铜。
4.根据权利要求2所述的铝/铜/铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中铜板进行温度为300～375℃，时间为0.5～2h的退火处理，对纯铝进行温度150～350℃，时间为0.5～3.5h的退火处理。
5.根据权利要求2所述的铝/铜/铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中将铝板放入10％NaOH溶液中进行10min碱洗，将步骤2的铜块先用钢刷打磨掉表面的氧化物，然后将处理后的铜板以及镍箔放入10％的硝酸酒精溶液中进行酸洗，酸洗10min，然后放入超声波清洗仪内，加入酒精清洗30min，最后用吹风机吹干。
6.根据权利要求2所述的铝/铜/铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中采用一道次轧制法，轧制率为60％～80％。
7.根据权利要求2所述的铝/铜/铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤5中对轧制后的复合材料进行温度为350～550℃，时间为2～12h的退火处理，获得铝/铜/铝复合材料；结合界面以固溶体的方式进行连接。
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