CN114480910A - 一种室温下宽温区零膨胀、高热导的可加工铜基复合材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种室温下宽温区零膨胀、高热导的可加工铜基复合材料及其制备方法,属于金属基复合材料及其制备领域。原料为La(Fe,Si)13基各向同性负热膨胀合金和高热导材料单质铜;称取化学计量比的金属单质采用电弧炉熔炼后退火,得到具有不同负热膨胀系数和温区的La(Fe,Si)13合金,此类合金的负热膨胀温度区间不同但连续,磨粉混合后作为增强体与铜粉混匀,通过放电等离子体烧结,得到宽温区零膨胀材料。La(Fe,Si)13系列合金在‑150℃到150℃之间的不同温区具有巨大的负热膨胀性。铜具有高热导和高延展性,在高温烧结下,铜的粘结性和流动性更高,La(Fe,Si)13系列合金各组分生成有α‑Fe相,提高复合材料致密度,从而提高了热导率和力学性能。
Description
技术领域
本发明属于复合材料领域,特别涉及一种室温下宽温区零膨胀、高热导的 可加工铜基复合材料及制备方法。
背景技术
热胀冷缩是固体材料中固有的性质,大部分材料体积随温度升高而增大, 反之随温度下降而减小,这导致应用中器件在环境温度变化时性能不稳定、热 膨胀系数不匹配导致产生热应力、裂纹甚至失效等问题,给实际生产生活带来 许多困难。随着航天、医疗、电子、通信、军工等高端技术领域的快速发展、 精密度要求不断提高,对于材料的热稳定性要求越来越高,需要在特定温度范 围内具有较小热膨胀系数的材料,以保证仪器能够在具有一定温差的环境下稳 定工作,传统材料已难以满足要求。零热膨胀材料的发现可以改变现状,其外 观尺寸几乎不随环境温度变化而发生改变,确保热机械稳定性,同时为防止过 多的热量积聚,具有高热导、可加工的零膨胀材料可以满足微电子、热电设备、 微波通信、自动控制和航空航天中对于热学管理的要求。
当今市面上的大部分材料应用场景是在室温附近进行,但是零膨胀材料种 类较少并且存在两点局限性,一是温区不包括室温,不满足实际需求;二是机 械性能较差,难以加工成特定形状应用到器件中。因此,若开发室温下宽温区 零膨胀、高热导的可加工铜基复合材料,将其用于精密仪器中,将会攻克诸多 应用领域的实际问题。
发明内容
为解决上述问题,本发明提供了一种室温下宽温区零膨胀、高热导的可加 工铜基复合材料及制备方法,将巨大负热膨胀材料La1-xAx(Fe1-y-z,By,Cz)13系列材 料与铜粉混合,通过放电等离子体烧结法,可以得到室温下宽温区零膨胀材料, La1-xAx(Fe1-y-z,By,Cz)13各组分的负热膨胀区间叠加重合,提高了其综合热膨胀性 能;较高烧结温度下,高热导、高延展性的铜的粘结性和流动性更强,以及 La1-xAx(Fe1-y-z,By,Cz)13各组分间生成α-Fe相,将提高复合材料致密度,从而提高 了热导率和力学性能;通过将La(Fe,Si)13系列合金与铜复合得到的材料具有室温 下宽温区零膨胀、高热导和可加工特性。
为了实现上述目的,本发明所采用的技术方案如下:
一方面,本发明提供一种室温下宽温区零膨胀、高热导的可加工铜基复合 材料,所述铜基复合材料的原料为铜和La1-xAx(Fe1-y-z,By,Cz)13系列材料混合制备 形成,其中A为镧系金属,B为过渡金属,C为P区元素中金属或半金属元素, 0≤x<1,0≤y<0.25,0.07<z<0.25;所述铜基复合材料各组分之间通过铜和 α-Fe结合。
进一步地,A包括但不限于Ce、Pr、Nd中的一种或几种,B包括但不限于 Cr、Mn、Co、Ni中的一种或几种,C包括但不限于Si、A1、Ga中的一种或几 种。
进一步地,所述α-Fe的体积百分数含量为2-10%。
进一步地,所述铜的体积百分数含量为35-55%。
另一方面,本发明提供了一种室温下宽温区零膨胀、高热导的可加工铜基 复合材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S101按照化学计量比分别称取不同La1-xAx(Fe1-y-z,By,Cz)13材料中包含的元 素单质,将各La1-xAx(Fe1-y-z,By,Cz)13材料中包含的元素单质混合,分别高温熔炼 成化学成分不同的多个合金锭,并在真空环境中退火;
S102将退火后的所述多个化学成分不同的合金锭分别研磨成粉;
S103称取至少两种La1-xAx(Fe1-y-z,By,Cz)13材料粉末,并按照体积分数称取铜 粉,研磨混匀;
S104将混匀的合金粉末烧结成型即得。
进一步的,步骤S104中所述烧结成型为放电等离子体烧结法在真空条件下 烧结,烧结温度为铜熔点以下100~500℃,施加压强不低于20MPa,升温速率 为50-200℃/min,保温时间为1-100min。
进一步的,步骤S103中所述至少两种La1-xAx(Fe1-y-z,By,Cz)13材料的负热膨 胀温区是不同且连续的。
进一步的,步骤S101中所述高温熔炼是在惰性气体氛围,熔炼4次以上, 每次熔炼完成后将铸锭翻动一次。
进一步的,步骤S101中所述退火温度为700-1300℃,退火时间至少3天。
进一步的,步骤S102中所述合金粉末粒径范围为0.5~100μm。
需要说明的是,La1-xAx(Fe1-y-z,By,Cz)13系列材料(0≤x<1,0≤y<0.25,0.07 <z<0.25)具有巨大的各向同性负热膨胀性质,同时负热膨胀温区不同且连续, 将其混合后作为增强体与铜混合后烧结,可以得到宽温区的零膨胀材料,同时 具备高热导、可加工等优异性能,可根据不同实际要求设计材料。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果包括:
本发明根据零膨胀材料的特点和不同环境应用材料存在的问题,提出一种 室温下宽温区零膨胀、高热导的可加工铜基复合材料及其制备方法,充分利用 La1-xAx(Fe1-y-z,By,Cz)13系列材料(0≤x<1,0≤y<0.25,0.07<z<0.25)巨大负 热膨胀性质和负热膨胀温区不同且连续的特点和单质铜高热导、高延展性的特 点,通过调节替代元素种类、替代量和烧结工艺(放电等离子体烧结时间、温 度、速率、保温时长等),可得到室温下宽温区零膨胀材料,同时可以调节温区 范围;并且与高热导、高延展性的铜复合,提高了热导率和力学性能,更能适 应极端使用环境。相关复合材料可以根据实际应用要求加工成特定形状。该方 法成本低廉,制备工艺简单,有望应用于解决生产生活中热应力问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所 需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明 的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下, 还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一LaFe11.5-xCoxSi1.5系列材料线膨胀曲线图;
图2为本发明实施例一La(Fe,Co,Si)13/Cu复合材料XRD图谱;
图3为本发明实施例一La(Fe,Co,Si)13/Cu复合材料扫描电镜图;
图4为本发明实施例一La(Fe,Co,Si)13/Cu复合材料线膨胀曲线图;
图5为本发明对比例一La(Fe,Co,Si)13/Cu复合材料扫描电镜图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图及具体实 施例对本发明作进一步地详细描述。
本发明提供了一种室温下宽温区零膨胀、高热导的可加工铜基复合材料及 其制备方法,所述材料为铜基复合材料,通过将巨大负热膨胀材料 La1-xAx(Fe1-y-z,By,Cz)13系列材料混合后作为增强体,可以拓宽负热膨胀温区,与 高热导、高延展性的铜复合,通过放电等离子体烧结。铜在较高烧结温度下粘 结性和流动性增强,且La1-xAx(Fe1-y-z,By,Cz)13各组分之间生成有α-Fe相,提高复 合材料的致密度,从而提高了热导率和力学性能。铜和α-Fe相的量不能太多或 太少,铜和α-Fe相属于正热膨胀相,其体积比过多会影响整个负热膨胀金属基 复合材料的负热膨胀性能;也不能太少,太少使得铜和α-Fe相无法有效结合 La1- xAx(Fe1-y-z,By,Cz)13各组分,致使热导率和力学性能下降,通过试验得知当铜 体积分数为35-55%、α-Fe的体积百分数含量在2-10%时,铜和α-Fe相有效提高 致密度,使得该金属基复合材料的热导率和力学性能较好,同时具有宽温区零 膨胀性能。
La1-xAx(Fel-y-z,By,Cz)13系列材料(0≤x<1,0≤y<0.25,0.07<z<0.25)具 有巨大的各向同性负热膨胀性质,通过调节替代元素种类和替代量,可以得到 具有不同负热膨胀温区的材料,将几种温区连续的材料混合后作为增强体与高 热导、高延展性的铜复合烧结,其可实现零膨胀,温区包含-150-150℃,随着加 入铜量增多,热导率可实现40~300Wm- 1K-1,可用作热管理材料;其次,其强 度可达350MPa以上,力学性能优良。
A为镧系稀土元素,化学性质活泼,具有内层4f电子层的独特结构,能级 跃迁丰富、原子磁矩大和自旋轨道耦合强等性质,同时相比较其他金属元素, 稀土的电负性要低很多,所以很容易跟其他金属元素形成多种化合物,具有丰 富的电、光、磁、热等物理性能,尤其LaFe13具有负热膨胀特征,优选地,本 发明的镧系元素A可以为Ce、Pr、Nd中的一种或多种。
La-Fe间生成焓为正,不存在二元的LaFe13化合物,因此LaFe13基化合物需 要添加第三种化学元素才能形成晶体化合物。第三种化学元素可以为过渡元素 B,P区金属或半金属元素。其中过渡元素B为周期表中从IIIB族到VIII族的 元素,共有两个系列的元素(钪到镍、钇到钯),电子逐个填入他们的3d和4d 轨道,本发明中过渡元素的范围不包括镧系元素和锕系元素,优选地,过渡元 素B为Cr、Mn、Co、Ni中的一种或几种。
P区元素指元素周期表中第三到第七主族和零族元素,C为P区元素中的 金属或半金属元素。半金属(metalloid)又称“准金属”、“类金属”、“亚金属” 或“似金属”,性质介于金属和非金属之间的元素。这些元素一般性脆,呈金属 光泽。半金属通常包括硼、硅、砷、锑、碲、钋。优选地,P区元素C为Si、 A1、Ga中的一种或多种。
高热导率和高延展性的铜体积分数达到35-55%以及La1-xAx(Fe1-y-z,By,Cz)13系列材料析出的α-Fe的体积百分数为2%-10%时,可以得到具有优良热导率和 力学性能的宽温区零膨胀金属基复合材料。
本发明中,烧结温度为铜熔点以下100~500℃,即合适的烧结温度为 583-983℃,优选烧结温度为600-900℃。
多相La1-xAx(Fe1-y-z,By,Cz)13与铜混合粉末在放电等离子体烧结过程中生成 α-Fe相,烧结工艺影响铜的状态和α-Fe相生成量。烧结温度越高,保温时间越 长,铜的粘结性和流动性越强,生成的α-Fe相越多,以上现象均提高了复合材 料的致密度,进而提高热导率和力学性能;若无α-Fe相生成,则即使烧结温度 较高,铜的粘结性和流动性较强,但由于表面张力等作用,使得铜无法浸入 La1-xAx(Fe1-y-z,By,Cz)13各组分边缘的细小孔洞内,导致孔洞较多降低复合材料的 导热率及力学性能。
本发明中,隔离剂也可以为酮类,醛类以及醇类等有机物中的一种或几种。 一方面其可以挥发从而降低合金颗粒或粉末的温度;另一方面,其可以对污染 物进行有效溶解和去除。下面的实施例优选以酒精作为隔离剂。
为了更好的说明本发明的实施方式,下面通过具体的实施例对本发明作进 一步详细的说明。
实施例1
本实施例提供了一种室温下宽温区零膨胀、高热导的可加工铜基复合材料 及其制备方法,包括如下步骤:
步骤S101按照化学计量比1∶11.5-n∶n∶1.5(n=0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4) 分别称取金属单质La、Fe、Co、Si(纯度≥99.5%),放置于电弧炉中,氩气氛 围下高温熔炼,熔炼4次,每次熔炼完成后将铸锭翻动一次以将合金锭均质化, 将制备好的合金锭在真空环境以700℃中退火3天,得到六种合金;对合金锭进 行长时间高温退火的目的在于为了使合金锭完全生成NaZn13型立方相晶体结构 La(Fe,Co,Si)13,由于NaZn13型立方相晶体结构的La(Fe,Co,Si)13才具有负热膨胀 特性。从图1中可以看出LaFe11.5-xCoxSi1.5系列材料的负热膨胀温度区间不同但 连续。
步骤S102将退火后的合金锭加入酒精研磨成粉,合金粉末粒径范围为 0.5-100μm,所述研磨方式包括手工研磨和球磨,首先通过手工研磨,再通过球 磨机球磨,其中,球磨转速为100r/min,研磨时间为0.5h。
步骤S103分别称取相同质量上述六种合金粉末混合,并按照体积分数 60.3∶39.7称取的六种LaFe11.5-xCoxSi1.5混合后的合金粉末和铜粉,所述铜粉粒径 范围为0.5~100μm,放入酒精中进行研磨,使其充分混匀,所述研磨方式包括手 工研磨和球磨,首先通过手工研磨,再通过球磨机球磨,其中,球磨转速为 100r/min,研磨时间不少于0.5h。
步骤S104将混匀的金属粉末放入石墨模具中,采用放电等离子体法烧结, 设置烧结温度为650±10℃,施加压强20±0.5MPa,升温时间6min,保温时间 为1min。
图2为La(Fe,Co,Si)13/Cu复合材料的XRD图谱,从图中可以看出La(Fe,Co, Si)13/Cu复合材料XRD衍射图中有原料Cu和La(Fe,Co,Si)13的特征峰,还有较 小α-Fe的特征峰。这说明在烧结过程中La(Fe,Co,Si)13析出α-Fe,含量为5.04%。
图3为La(Fe,Co,Si)13/Cu复合材料扫描电镜图,说明La(Fe,Co,Si)13和铜分 布均匀,组织致密,因此制备的复合材料力学优良,具有高强塑性。
图4为La(Fe,Co,Si)13/Cu复合材料线膨胀曲线图,在-70℃到50℃之间,复 合材料的负热膨胀系数为-0.21×10-6/℃,说明将LaFe11.5-xCoxSi1.5系列材料与铜 复合之后可以得到宽温区零膨胀。
对所得样品进行检测,热导率为44.1Wm-1K-1。复合材料强度为376MPa, 应变为6.36%。
对比例1
本对比例所述的负热膨胀金属基复合材料的制备方法同实施例1,其区别在 于在步骤S104中,采用放电等离子体法烧结,烧结温度为500±10℃,施加压 强20±0.5MPa,升温时间5min,保温时间为1min。
从图5可以看出,500℃烧结温度下的复合材料孔隙多,由于烧结温度低, 铜的粘结性和流动性较差以及α-Fe相生成较少,约为1%,导致La(Fe,Co,Si)13/Cu 复合材料致密度较低。对所得样品进行检测,500℃烧结温度下的的复合材料热 导率为19.7Wm-1K-1;强度为222Mpa,应变为1.85%。说明铜在650℃左右及以 上的烧结温度范围内才会开始产生较好流动性及α-Fe在650℃左右及以上的烧 结温度范围内才会有效生成,“有效”指α-Fe相足够多可以与Cu铜对 La(Fe,Co,Si)13基复合材料各组分形成有效粘合。
实施例2
本实施例提供了一种室温下宽温区零膨胀、高热导的可加工铜基复合材料 及其制备方法,该宽温区零膨胀、高热导的可加工铜基复合材料为 La(Fe,Co,Si)13/Cu基材料,包括如下步骤:
步骤S201,按照化学计量比1∶11.5-n∶n∶1.5(n=0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4) 分别称取金属单质La、Fe、Co、Si(纯度≥99.5%),放置于电弧炉中,氩气氛 围下高温熔炼,熔炼8次,每次熔炼完成后将铸锭翻动一次以将合金锭均质化, 将制备好的合金锭在真空环境以1300℃中退火15天,得到六种合金。
步骤S202,将退火后的合金锭加入酒精研磨成粉,合金粉末粒径范围为 0.5-100μm,所述研磨方式包括手工研磨和球磨,首先通过手工研磨,再通过球 磨机球磨,其中,球磨转速为100r/min,研磨时间为0.5h。
步骤S203,分别称取相同质量上述六种合金粉末混合,并按照体积分数 60.3∶39.7称取的六种LaFe11.5-xCoxSi1.5混合后的合金粉末和铜粉,所述铜粉粒径 范围为0.5~100μm,放入酒精中进行研磨,使其充分混匀,所述研磨方式包括手 工研磨和球磨,首先通过手工研磨,再通过球磨机球磨,其中,球磨转速为 100r/min,研磨时间不少于0.5h。
步骤S204,将混匀的金属粉末放入石墨模具中,采用放电等离子体法烧结, 设置烧结温度为650±10℃,施加压强20±0.5MPa,升温时间6min,保温时间 为1min。
对所得样品进行检测,在-70℃到50℃之间,复合材料的负热膨胀系数为 -0.24×10-6/℃,说明将LaFe11.5-xCoxSi1.5系列材料与铜复合之后可以得到宽温区 零膨胀。α-Fe含量为4.98%,热导率为45.3Wm-1K-1。复合材料强度为374MPa, 应变为6.77%。
实施例3
本实施例提供了一种室温下宽温区零膨胀、高热导的可加工铜基复合材料 及其制备方法,该宽温区零膨胀、高热导的可加工铜基复合材料为 La(Fe,Co,Si)13/Cu基材料,包括如下步骤:
步骤S301,按照化学计量比1∶11.5-n∶n∶1.5(n=0.4、0.6、0.8)分别称取金 属单质La、Fe、Co、Si(纯度≥99.5%),放置于电弧炉中,氩气氛围下高温熔 炼,熔炼4次,每次熔炼完成后将铸锭翻动一次以将合金锭均质化,将制备好 的合金锭在真空环境以1000℃中退火10天,得到三种合金。
步骤S302,将退火后的合金锭加入酒精研磨成粉,合金粉末粒径范围为 0.5-100μm,所述研磨方式包括手工研磨和球磨,首先通过手工研磨,再通过球 磨机球磨,其中,球磨转速为100r/min,研磨时间为0.5h。
步骤S303,分别称取相同质量上述三种合金粉末混合,并按照体积分数 47.9∶52.1称取的三种LaFe11.5-xCoxSi1.5混合后的合金粉末和铜粉,所述铜粉粒径 范围为0.5~100μm,放入酒精中进行研磨,使其充分混匀,所述研磨方式包括手 工研磨和球磨,首先通过手工研磨,再通过球磨机球磨,其中,球磨转速为 100r/min,研磨时间不少于0.5h。
步骤S304,将混匀的金属粉末放入石墨模具中,采用放电等离子体法烧结, 设置烧结温度为750±10℃,施加压强25±0.5MPa,升温时间8min,保温时间 为5min。
对所得样品进行检测,在-70℃到10℃之间,复合材料的热膨胀系数为1.23 ×10-6/℃,说明将LaFe11.5-xCoxSi1.5系列材料与铜复合之后可以得到宽温区零膨 胀。α-Fe含量为8.9%,热导率为52.7Wm-1K-1。复合材料强度为405MPa,应变 为7.86%。
实施例4
本实施例提供了一种室温下宽温区零膨胀、高热导的可加工铜基复合材料 及其制备方法,该宽温区零膨胀、高热导的可加工铜基复合材料为 La(Fe,Co,Si)13/Cu基材料,包括如下步骤:
步骤S401,按照化学计量比1∶11.5-n∶n∶1.5(n=1.0、1.2、1.4)分别称取金 属单质La、Fe、Co、Si(纯度≥99.5%),放置于电弧炉中,氩气氛围下高温熔 炼,熔炼4次,每次熔炼完成后将铸锭翻动一次以将合金锭均质化,将制备好 的合金锭在真空环境以850℃中退火8天,得到三种合金。
步骤S402,将退火后的合金锭加入酒精研磨成粉,合金粉末粒径范围为 0.5-100μm,所述研磨方式包括手工研磨和球磨,首先通过手工研磨,再通过球 磨机球磨,其中,球磨转速为100r/min,研磨时间为0.5h。
步骤S403,分别称取相同质量上述三种合金粉末混合,并按照体积分数 51.5∶48.5称取的三种LaFe11.5-xCoxSi1.5混合后的合金粉末和铜粉,所述铜粉粒径 范围为0.5~100μm,放入酒精中进行研磨,使其充分混匀,所述研磨方式包括手 工研磨和球磨,首先通过手工研磨,再通过球磨机球磨,其中,球磨转速为 100r/min,研磨时间不少于0.5h。
步骤S404,将混匀的合金粉末放入石墨模具中,采用放电等离子体法烧结, 设置烧结温度为850±10℃,施加压强30±0.5MPa,升温时间8min,保温时间 为5min。
对所得样品进行检测,在20℃到60℃之间,复合材料的负热膨胀系数为1.56 ×10-6/℃,说明将LaFe11.5-xCoxSi1.5系列材料与铜复合之后可以得到宽温区零膨 胀。α-Fe含量为9.5%,热导率为49.8Wm-1K-1。复合材料强度为389MPa,应变 为6.92%。
实施例5
本实施例提供了一种室温下宽温区零膨胀、高热导的可加工铜基复合材料 及其制备方法,该宽温区零膨胀、高热导的可加工铜基复合材料为 La1-xPrx(Fe1-y-z,Coy,Siz)13/Cu基材料,包括如下步骤:
步骤S501按照化学计量比0.5∶0.5∶11.5-n∶n∶1.5(n=0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4)分别称取金属单质La、Pr、Fe、Co、Si(纯度≥99.5%),放置于电弧炉中, 氩气氛围下高温熔炼,熔炼4次,每次熔炼完成后将铸锭翻动一次以将合金锭 均质化,将制备好的合金锭在真空环境以1000中退火5天,得到六种合金。
步骤S502将退火后的合金锭加入酒精研磨成粉,合金粉末粒径范围为 0.5-100μm,所述研磨方式包括手工研磨和球磨,其中,球磨转速为100r/min, 研磨时间为0.5h。
步骤S503称取相同质量的6种合金粉末,并按照体积分数62.9∶37.1称取的 六种La1-xPrx(Fe1-y-z,Coy,Siz)13混合后的合金粉末和铜粉,所述铜粉粒径范围为 0.5~100μm,放入酒精中进行研磨,使其充分混匀,所述研磨方式包括手工研磨 和球磨,其中,球磨转速为100r/min,研磨时间不少于0.5h。
步骤S504将混匀的合金粉末放入石墨模具中,采用放电等离子体法烧结, 设置烧结温度为650±10℃,施加压强20±0.5MPa,升温时间6min,保温时间 8min。
对所得样品进行检测,在-70℃到50℃之间,复合材料的负热膨胀系数为0.97 ×10-6/℃,说明将La1-xPrx(Fe1-y-z,Coy,Siz)13系列材料与铜复合之后可以得到宽温 区零膨胀。α-Fe含量为3.88%,热导率为37.1Wm-1K-1。复合材料强度为356MPa, 应变为6.21%。
实施例6
本实施例提供了一种室温下宽温区零膨胀、高热导的可加工铜基复合材料 及其制备方法,该宽温区零膨胀、高热导的可加工铜基复合材料为 La(Fe1-y-z,Coy,Alz)13/Cu基材料,包括如下步骤:
步骤S601按照化学计量比1∶11.3-n∶n∶1.7(n=0.226、0.452、0.678、0.904) 分别称取金属单质La、Fe、Co、Al(纯度≥99.5%),放置于电孤炉中,氩气氛 围下高温熔炼成合金锭,并在真空环境以1000℃中退火5天,得到四种合金;
步骤S602将退火后的合金锭加入酒精研磨成粉,合金粉末粒径范围为 0.5-100μm,所述研磨方式包括手工研磨和球磨,其中,球磨转速为100r/min, 研磨时间为0.5h。
步骤S603称取相同质量上述合金粉末,并按照体积分数55.8∶44.2称取的四 种La(Fe1-y-z,Coy,Alz)13混合后的合金粉末和铜粉,所述铜粉粒径范围为 0.5~100μm,放入酒精中进行研磨,使其充分混匀,所述研磨方式包括手工研磨 和球磨,其中,球磨转速为100r/min,研磨时间不少于0.5h。
步骤S604将混匀的金属粉末放入石墨模具中,采用放电等离子体法烧结, 设置烧结温度为650±10℃,施加压强20±0.5MPa,升温时间0.5h,保温时间 不低于1min。
对所得样品进行检测,在-50℃到50℃之间,复合材料的负热膨胀系数为0.79 ×10-6//℃,说明将La(Fe1-y-z,Coy,Alz)13系列材料与铜复合之后可以得到宽温区零 膨胀。α-Fe含量为5.03%,热导率为48.1Wm-1K-1。复合材料强度为375MPa, 应变为7.22%。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的 精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的 保护范围之内。
Claims (10)
1.一种室温下宽温区零膨胀、高热导的可加工铜基复合材料,其特征在于,所述铜基复合材料的原料为铜和La1-xAx(Fe1-y-z,By,Cz)13系列材料混合制备形成,其中A为镧系金属,B为过渡金属,C为P区元素中金属或半金属元素,0≤x<1,0≤y<0.25,0.07<z<0.25;所述铜基复合材料各组分之间通过铜和α-Fe结合。
2.根据权利要求1所述的可加工铜基复合材料,其特征在于,A包括但不限于Ce、Pr、Nd中的一种或几种,B包括但不限于Cr、Mn、Co、Ni中的一种或几种,C包括但不限于Si、Al、Ga中的一种或几种。
3.根据权利要求1-2任一所述的可加工铜基复合材料,其特征在于,所述α-Fe的体积百分数含量为2-10%。
4.根据权利要求1-2任一所述的可加工铜基复合材料,其特征在于,所述铜的体积百分数含量为35-55%。
5.一种如权利要求1-4任一所述的室温下宽温区零膨胀、高热导的可加工铜基复合材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S101按照化学计量比分别称取不同La1-xAx(Fe1-y-z,By,Cz)13材料中包含的元素单质,将各La1-xAx(Fe1-y-z,By,Cz)13材料中包含的元素单质混合,分别高温熔炼成化学成分不同的多个合金锭,并在真空环境中退火;
S102将退火后的所述多个化学成分不同的合金锭分别研磨成粉;
S103称取至少两种Lal-xAx(Fe1-y-z,By,Cz)13材料粉末,并按照体积分数称取铜粉,研磨混匀;
S104将混匀的合金粉末烧结成型即得。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,步骤S104中所述烧结成型为放电等离子体烧结法在真空条件下烧结,烧结温度为铜熔点以下100~500℃,施加压强不低于20MPa,升温速率为50-200℃/min,保温时间为1-100min。
7.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,步骤S103中所述至少两种La1-xAx(Fe1-y-z,By,Cz)13材料的负热膨胀温区是不同且连续的。
8.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,步骤S101中所述高温熔炼是在惰性气体氛围,熔炼4次以上,每次熔炼完成后将铸锭翻动一次。
9.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,步骤S101中所述退火温度为700-1300℃,退火时间至少3天。
10.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,步骤S102中所述合金粉末粒径范围为0.5~100μm。
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