CN114951647A - 一种铜铝复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铜铝复合材料制备工艺技术领域，且公开了一种铜铝复合材料的制备方法，包括：制备纳米铜‑纳米铝双层包覆的铝团簇颗粒，将纳米铜‑纳米铝双层包覆的铝团簇颗粒进行烧结处理，得到均质化纳米铜‑纳米铝双层包覆的铝团簇，以均质化纳米铜‑纳米铝双层包覆的铝团簇为原料制备铝液，使用铸轧设备，在压力条件下采用固‑液复合法制备铜铝复合材料，该铜铝复合材料通过纳米化的方法将铝被铜包覆起来，并且在铜铝界面处生成了结构紧凑的纳米铜‑纳米铝过渡层，其不仅能够阻隔铜铝原子之间的相互扩散，有效防止铜铝金属间化合物的生成，而且纳米化的晶相结构能够显著增强复合界面强层的超塑延展性和导电性。
Description
技术领域
本发明涉及铜铝复合材料制备工艺技术领域，具体为一种铜铝复合材料的制备方法。
背景技术
铜/铝层状复合材料是一种综合性能良好的复合材料，其集铜、铝两种金属的差别于一身，不仅具有铜的导电导热性好、外观优美等优点，而且具有铝的比重小、价格经济等特点。
但是铜与铝之间非常容易生成各种金属间化合物，这些硬脆的金属间化合物大量存在于界面上、呈膜状沿复合层纵向分布，这将极大降低复合材料的导电性、延展性和力学性能。
发明内容
(一)解决的技术问题
为了解决铜包铝复合材料存在的界面层硬脆问题，本发明提供一种铜铝复合材料的制备方法。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种铜铝复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1，制备均质化纳米铜-纳米铝双层包覆的铝团簇；
步骤S2，以均质化纳米铜-纳米铝双层包覆的铝团簇为原料制备铝液，使用铸轧设备，在压力条件下采用固-液复合的方法制备铜铝复合材料，其工艺过程为：先把紫铜板洁净处理、预热，然后迅速放入凹模型腔中，定量浇注高温铝液，铝液浇注温度为700-750℃，快速合模加载单位压力，保压，顶出层状复合材料迅速放入电阻炉中随炉冷却，得到铜铝复合材料。
优选的，所述步骤S1，将纳米铜-纳米铝双层包覆的铝团簇颗粒放入超高速微波中，抽真空、通氮气，升温烧结、保温，氮气保护下冷却至室温，得到均质化纳米铜-纳米铝双层包覆的铝团簇。
优选的，所述步骤S1，纳米铜-纳米铝双层包覆的铝团簇颗粒的制备步骤如下：
步骤S1-1，在微米粒径的铝粉上生成纳米铝粒子，得到纳米壳微米核结构的铝粒子；
步骤S1-2，在纳米壳微米核结构的铝粒子上生成纳米铜粒子，得到纳米铜-纳米铝双层包覆的铝粒子，纳米铜-纳米铝双层包覆的铝粒子相互之间发生团簇聚集作用，生成纳米铜-纳米铝双层包覆的铝团簇颗粒。
优选的，所述步骤S1-1，所述微米粒径的铝粉的平均粒径3um。
优选的，所述步骤S1-1，所述纳米铝粒子的平均粒径5nm。
优选的，所述步骤S1-2，所述纳米铜粒子的平均粒径10nm。
优选的，所述步骤S2，紫铜板洁预热350-450℃，快速合模加载1000MPa单位压力，保压1-3min，顶出层状复合材料迅速放入200-300℃电阻炉中随炉冷却，得到铜铝复合材料。
(三)有益的技术效果
与现有技术相比，本发明具备以下有益的技术效果：
本发明：在平均粒径3um的铝粉上生成平均粒径5nm的纳米铝粒子，得到纳米壳微米核结构的铝粒子；
在纳米壳微米核结构的铝粒子上生成平均粒径10nm的纳米铜粒子，得到纳米铜-纳米铝双层包覆的铝粒子，其结构如图1所示，该纳米铜-纳米铝双层包覆的铝粒子相互之间发生团簇聚集作用，得到纳米铜-纳米铝双层包覆的铝团簇颗粒，其结构如图2所示；
将纳米铜-纳米铝双层包覆的铝团簇颗粒进行烧结处理，得到均质化纳米铜-纳米铝双层包覆的铝团簇，其结构如图3所示；
以均质化纳米铜-纳米铝双层包覆的铝团簇为原料制备铝液，使用铸轧设备，在压力条件下采用固-液复合法制备铜铝复合材料，其抗拉强度达到了34.03-42.57MPa、电导率达到了4.70-5.04×107Ω-1·m-1；
其中，在纳米铜-纳米铝双层包覆的铝团簇颗粒结构中，通过纳米化的方法将铝被铜包覆起来，并且在铜铝界面处生成了结构紧凑的纳米铜-纳米铝过渡层，其不仅能够阻隔铜铝原子之间的相互扩散，有效防止铜铝金属间化合物的生成，而且纳米化的晶相结构能够显著增强复合界面强层的超塑延展性和导电性。
附图说明
图1为纳米铜-纳米铝双层包覆的铝粒子的结构示意图；
图2为纳米铜-纳米铝双层包覆的铝团簇颗粒的结构示意图；
图3为均质化纳米铜-纳米铝双层包覆的铝团簇的结构示意图。
具体实施方式
实施例1：
纳米壳微米核结构的铝粒子的制备：
将1.3g无水AlCl3加入到100mL甲苯溶液中，并称取8g三乙胺，逐滴加入到上述溶液中，待反应器中固态的AlCl3完全溶解后，再缓慢加入1.7g的LiAlH4，反应15h后，离心分离出液相前驱物；
将前驱物加入四颈烧瓶中，连接双排管，体系抽真空、通氩气三到五次循环后，将溶液加热到80℃，待温度稳定后，加入0.08mL钛酸四异丙酯，并通过恒压滴液漏斗逐滴加入悬浮有15g平均粒径3um铝粉的无水乙醇和蒸馏水混合溶液(无水乙醇与蒸馏水的体积比为1∶5)，反应12h，在铝粉上生成平均粒径5nm的纳米铝粒子，离心分离、沉淀洗涤、真空干燥，得到纳米壳微米核结构的铝粒子；
纳米铜-纳米铝双层包覆的铝团簇颗粒的制备：
称取10g纳米壳微米核结构的铝粒子放入300mL去离子水中，再加入20mL乙醇，超声分散2h，得到纳米壳微米核结构的铝粒子悬浮液；
将纳米壳微米核结构的铝粒子悬浮液用磁力搅拌器不断地搅拌，同时向溶液中不断的通入氮气，接着在溶液中加入2gCuSO4、20g酒石酸钾钠、20g乙二胺四乙酸和10mg2，2-联吡啶，调节pH至10；
将1.2g硼氢化钠加入到200mL去离子水中，调节pH至10，再以30滴/min的速度将其滴入纳米壳微米核结构的铝粒子悬浮液中，在纳米壳微米核结构的铝粒子上生成平均粒径10nm的纳米铜粒子，整个过程中一直通入氮气，过滤、洗涤，真空烘干，得到纳米铜-纳米铝双层包覆的铝团簇颗粒：
均质化纳米铜-纳米铝双层包覆的铝团簇的制备：
将纳米铜-纳米铝双层包覆的铝团簇颗粒放入超高速微波中，先对微波加热炉进行抽真空，然后通入氮气，排出里面的空气，将超高速微波加热炉升温至380℃，保温1h，然后在氮气气氛保护下冷却至室温，得到均质化纳米铜-纳米铝双层包覆的铝团簇；
铜铝复合材料的制备：
以均质化纳米铜-纳米铝双层包覆的铝团簇为原料制备铝液，使用铸轧设备，在压力条件下采用固-液复合的方法制备铜铝复合材料，其工艺过程为：先把紫铜板洁净处理、预热400℃，然后迅速放入凹模型腔中，定量浇注高温铝液，铝液浇注温度为725℃，快速合模加载1000MPa单位压力，保压2min，顶出层状复合材料迅速放入250℃电阻炉中随炉冷却，得到铜铝复合材料。
实施例2：
以均质化纳米铜-纳米铝双层包覆的铝团簇为原料制备铝液，使用铸轧设备，在压力条件下采用固-液复合的方法制备铜铝复合材料，其工艺过程为：先把紫铜板洁净处理、预热350℃，然后迅速放入凹模型腔中，定量浇注高温铝液，铝液浇注温度为700℃，快速合模加载1000MPa单位压力，保压3min，顶出层状复合材料迅速放入200℃电阻炉中随炉冷却，得到铜铝复合材料。
实施例3：
以均质化纳米铜-纳米铝双层包覆的铝团簇为原料制备铝液，使用铸轧设备，在压力条件下采用固-液复合的方法制备铜铝复合材料，其工艺过程为：先把紫铜板洁净处理、预热450℃，然后迅速放入凹模型腔中，定量浇注高温铝液，铝液浇注温度为750℃，快速合模加载1000MPa单位压力，保压1min，顶出层状复合材料迅速放入300℃电阻炉中随炉冷却，得到铜铝复合材料。
对比例1：
以工业纯铝锭为原料制备铝液，使用铸轧设备，在压力条件下采用固-液复合的方法制备铜铝复合材料，其工艺过程为：先把紫铜板洁净处理、预热400℃，然后迅速放入凹模型腔中，定量浇注高温铝液，铝液浇注温度为725℃，快速合模加载1000MPa单位压力，保压2min，顶出层状复合材料迅速放入250℃电阻炉中随炉冷却，得到铜铝复合材料。
性能测试：
一、力学性能测试
在AG-I250KN精密万能试验机上对拉伸试样进行抗拉强度测试；
二、导电性能测试
用TH2513A直流低电阻测试仪测量尺寸1mmx1mmx10mm试样的电阻，根据公式R＝ρI/S、G＝1/ρ(R为电阻，ρ为电阻率，I为试样长度，S为试样条横截面积，G为电导率)，计算得到样品的电导率；
上述测试结果见下表1所示。
表1
Claims (7)
1.一种铜铝复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，制备均质化纳米铜-纳米铝双层包覆的铝团簇；
步骤S2，以均质化纳米铜-纳米铝双层包覆的铝团簇为原料制备铝液，使用铸轧设备，在压力条件下采用固-液复合的方法制备铜铝复合材料，其工艺过程为：先把紫铜板洁净处理、预热，然后迅速放入凹模型腔中，定量浇注高温铝液，铝液浇注温度为700-750℃，快速合模加载单位压力，保压，顶出层状复合材料迅速放入电阻炉中随炉冷却，得到铜铝复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种铜铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1，将纳米铜-纳米铝双层包覆的铝团簇颗粒放入超高速微波中，抽真空、通氮气，升温烧结、保温，氮气保护下冷却至室温，得到均质化纳米铜-纳米铝双层包覆的铝团簇。
3.根据权利要求2所述的一种铜铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1，纳米铜-纳米铝双层包覆的铝团簇颗粒的制备步骤如下：
步骤S1-1，在微米粒径的铝粉上生成纳米铝粒子，得到纳米壳微米核结构的铝粒子；
步骤S1-2，在纳米壳微米核结构的铝粒子上生成纳米铜粒子，得到纳米铜-纳米铝双层包覆的铝粒子纳米铜-纳米铝双层包覆的铝粒子相互之间发生团簇聚集作用，生成纳米铜-纳米铝双层包覆的铝团簇颗粒。
4.根据权利要求3所述的一种铜铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1-1，所述微米粒径的铝粉的平均粒径3um。
5.根据权利要求3所述的一种铜铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1-1，所述纳米铝粒子的平均粒径5nm。
6.根据权利要求3所述的一种铜铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1-2，所述纳米铜粒子的平均粒径10nm。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种铜铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2，紫铜板洁预热350-450℃，快速合模加载1000MPa单位压力，保压1-3min，顶出层状复合材料迅速放入200-300℃电阻炉中随炉冷却，得到铜铝复合材料。
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