CN115074569A - 一种多孔铜合金的制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种多孔铜合金的制备方法，属于合金材料制备领域。多孔铜合金的制备方法包括：将原料点燃使其转变为熔体，使熔体在3～10s内冷却，制得多孔铜合金。原料包括反应物、稀释剂和造孔剂，反应物包括第一铝粉和氧化铜粉，稀释剂包括第二铝粉和/或铜粉，造孔剂包括泡沫颗粒，泡沫颗粒的材质为高分子材料。本申请的多孔铜合金的制备方法采用自蔓延燃烧合成法制备多孔铜合金，第一铝粉和氧化铜粉在被点燃后能够持续反应获得高温合金熔体，泡沫颗粒能够在高温中分解在高温合金熔体内部形成多个气孔，快速冷却后合金内部保留气孔制得多孔铜合金。此制备方法简便，反应速率快，工序较少，生产周期短，节省能源，且不需要保护气氛，污染较少。

Description

一种多孔铜合金的制备方法

技术领域

本申请涉及合金材料制备领域，具体而言，涉及一种多孔铜合金的制备方法。

背景技术

在材料科学研究中，永不改变的话题是探索新材料。人们注意到许多天然材料因其多孔的结构而具备优良的性能,因此，人们发展出了各种人造多孔材料。作为材料科学研究中较年轻的一员，多孔材料迅速成为近年来国际科学界关注的热点之一。多孔材料可分为金属和非金属两大类，也可细分为多孔陶瓷材料、高分子多孔材料和多孔金属材料三种不同的类型。多孔金属材料又称为泡沫金属,作为结构材料，它具有密度小、孔隙率高、比表面积大等特点。作为功能材料，它具有多孔、减振、阻尼、吸音、隔音、散热、吸收冲击能、电磁屏蔽等多种性能。而且，多孔金属材料往往兼有结构材料和功能材料的双重作用，是一类性能优异的多用途材料。目前，多孔金属材料已经在冶金、石油、化工、纺织、医药、取暖、酿造等得到了广泛的应用。多孔金属材料作为多孔材料的重要组成部分，在材料学领域具有不可取代的地位。

多孔金属材料的制备工艺方法不断地创新，目前已经有许多种制备方法，主要有金属空心球烧结法、沉积法、斜入射沉积法、脱合金法和粉末填充烧结法等。

发明内容

本申请提供了一种多孔铜合金的制备方法，其能够制得多孔铜合金。

本申请的实施例是这样实现的：

在第一方面，本申请示例提供了一种多孔铜合金的制备方法，其包括：将原料点燃使其转变为熔体，使熔体在3～10s内冷却，制得多孔铜合金。

原料包括反应物、稀释剂和造孔剂，反应物包括第一铝粉和氧化铜粉，稀释剂包括第二铝粉和/或铜粉，造孔剂包括泡沫颗粒，泡沫颗粒的材质为高分子材料。

在上述技术方案中，本申请的多孔铜合金的制备方法采用自蔓延燃烧合成法制备多孔铜合金，第一铝粉和氧化铜粉之间的铝热反应为放热反应，第一铝粉和氧化铜粉在被点燃后能够持续反应获得高温合金熔体，高分子材料制成的泡沫颗粒能够在高温中分解变成气体，从而在高温合金熔体内部形成多个气孔，在快速冷却后，合金内部保留气孔制得多孔铜合金。由于铝热反应剧烈且迅速，稀释剂能够减缓铝热反应的速率。本申请的多孔铜合金的制备方法简便，反应速率快，工序较少，生产周期短，且在点燃第一铝粉和氧化铜粉后不再需要向反应体系提供其他能源，最大限度利用反应体系中的化学能，节省能源，且不需要保护气氛，污染较少。

结合第一方面，在本申请的第一方面的第一种可能的示例中，上述氧化铜粉和第一铝粉的摩尔比为3:2。

在上述示例中，铝热反应中氧化铜和铝单质的摩尔比为3:2。

结合第一方面，在本申请的第一方面的第二种可能的示例中，上述稀释剂的质量与反应物的质量比为2～5:10。

在上述示例中，当需要控制铝热反应的速率较快时，可以控制稀释剂的添加量较少；当需要控制铝热反应的速率较慢时，可以控制稀释剂的添加量较多。

结合第一方面，在本申请的第一方面的第三种可能的示例中，在点燃前，将原料置于燃烧器皿中，燃烧器皿的底部连通于铸模的模腔，在将原料点燃使得其转变为熔体后，熔体流入到模腔中，对模腔进行冷却处理。

在上述示例中，本申请的多孔铜合金的制备方法在燃烧器皿中进行铝热反应，反应得到的具有多个气孔的高温合金熔体，得到的具有多个气孔的高温合金熔体再流入到铸模的模腔中使得熔体快速冷却，制得多孔铜合金。在本申请的多孔铜合金的制备方法中，燃烧和冷却在不同的容器中进行，以避免冷却过程影响到铝热反应。

结合第一方面，在本申请的第一方面的第四种可能的示例中，上述铸模置于5～35℃的水中。

可选地，水为循环水。

在上述示例中，5～35℃的水有利于铸模的模腔中的高温合金熔体在3～10s内冷却，而不置于冷却过快或过慢。

结合第一方面，在本申请的第一方面的第五种可能的示例中，在将原料置于燃烧器皿中前，将原料压实制得预制块。

可选地，预制块的相对密度为50～75％。

在上述示例中，将原料压实制成预制块能够挤出颗粒与颗粒之间残余的空气，从而使得第一铝粉和氧化铜粉保持良好接触，有利于第一铝粉和氧化铜粉的自蔓延燃烧反应。

结合第一方面，在本申请的第一方面的第六种可能的示例中，在预制块中泡沫颗粒的体积百分数为1～30v/v％。

可选地，泡沫颗粒的粒径为1～100μm。

结合第一方面，在本申请的第一方面的第七种可能的示例中，在将原料置于燃烧器皿中后，在原料的上表面铺设一层镁粉层。

可选地，镁粉层的厚度为0.5～2mm。

可选地，采用镁条或钨丝点燃镁粉层。

在上述示例中，镁粉层能够用于引燃。

结合第一方面，在本申请的第一方面的第八种可能的示例中，上述燃烧器皿的底部设置有阻挡物，以使燃烧器皿和模腔在原料燃烧前不连通。

在上述示例中，为防止在原料转换为高温合金熔体前进入到铸模的模腔中，在原料转换为高温合金熔体后，高温合金熔体能够熔化阻挡物，从而使得燃烧器皿和铸模的模腔再次连通。

结合第一方面，在本申请额第一方面的第九种可能的示例中，上述燃烧器皿和铸模在使用前进行烘干处理。

可选地，烘干处理包括在50～80℃下干燥1～2h。

在上述示例中，燃烧器皿和铸模在使用前进行烘干处理去除燃烧器皿内壁以及铸模的模腔内壁的水份，避免水份和铝单质反应。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本申请实施例的装配组件的正视图；

图2为本申请实施例的装配组件的剖视图；

图3为本申请实施例1制得的多孔铜合金的截面图；

图4为本申请对比例1制得的多孔铜合金的截面图。

图标：10-装配组件；100-燃烧器皿；101-通孔；200-铸模；201-模腔。

具体实施方式

下面将结合实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

以下针对本申请实施例的一种多孔铜合金的制备方法进行具体说明：

本申请提供一种多孔铜合金的制备方法，其包括以下步骤：

S1、准备原料

原料包括反应物、稀释剂和造孔剂，反应物包括第一铝粉和氧化铜粉，稀释剂包括第二铝粉和/或铜粉，造孔剂包括泡沫颗粒。

将氧化铜粉和铜粉(如果稀释剂不包括铜粉，仅将氧化铜粉干燥)干燥，然后将干燥后的粉体与铝粉(可以仅是第一铝粉，或第一铝粉和第二铝粉的混合物)、泡沫颗粒混合均匀，制得原料，将原料压实制得预制块。

需要说明的是，第一铝粉和第二铝粉均为铝粉，两者并无本质区别。在本申请的多孔铜合金的制备方法中，第一铝粉为参与铝热反应的铝粉，而第二铝粉为不参与铝热反应的铝粉。

干燥包括将氧化铜粉和铜粉在50～100℃下干燥1～5h。由于干燥在较高温度下进行，在干燥前不能将氧化铜粉和铝粉混合，避免在干燥过程中有爆炸的风险。另外，在干燥前也不能将氧化铜粉和泡沫颗粒混合，泡沫颗粒在高温下可能具有挥发性。

可选地，预制块的相对密度为50～75％。

将原料压实制成预制块能够挤出颗粒与颗粒之间残余的空气，从而使得第一铝粉和氧化铜粉保持良好接触，有利于第一铝粉和氧化铜粉的自蔓延燃烧反应。

作为示例，预制块的相对密度可以为50％、55％、60％、65％、70％或75％。

反应物中氧化铜粉和第一铝粉的摩尔比为3:2。

第一铝粉和氧化铜粉能够在被点燃后发生铝热反应，且由于铝热反应为放热反应，使得铝热反应在无其他能量提供的前提下可以持续反应获得高温合金熔体。

需要说明的是，这里是根据铝热反应的化学式配比得到的氧化铜粉和第一铝粉的摩尔比，氧化铜粉和第一铝粉均是纯净不含其他杂质的粉末。

稀释剂是在原料体系中不参与铝热反应的粉体，其能够减缓铝热反应的速率。

稀释剂可以全部为第二铝粉或全部为铜粉，或第二铝粉和铜粉以任意比例混合。

作为示例，稀释剂仅包括第二铝粉；或稀释剂仅包括铜粉；或稀释剂包括第二铝粉和铜粉，第二铝粉和铜粉以1:1、1:2、1:5、1:8、1:10、2:1、5:1、8:1或10:1的质量比混合。

稀释剂的质量与反应物的质量比为2～5:10。

当需要控制铝热反应的速率较快时，可以控制稀释剂的添加量较少；当需要控制铝热反应的速率较慢时，可以控制稀释剂的添加量较多。

作为示例，稀释剂的质量与反应物的质量比可以为2:10、3:10、4:10或5:10。

泡沫颗粒的材质为高分子材料。

造孔剂能够在高温中分解变成气体，从而在高温合金熔体内部形成多个气孔，在快速冷却后，制得多孔铜合金。且泡沫颗粒自身可以储存部分气体，相较于其他塑料颗粒而言，相同体积下需要分解的量更少，从而可以在高温中快速分解。

作为示例，泡沫颗粒可以为聚苯乙烯泡沫(Expanded Polystyrene，EPS)。

可选地，泡沫颗粒的粒径为1～100μm。

作为示例，泡沫颗粒的粒径可以为1μm、5μm、10μm、20μm、50μm、70μm、90μm或100μm。

在预制块中泡沫颗粒的体积百分数为1～30v/v％。

作为示例，在预制块中泡沫颗粒的体积百分数可以为1v/v％、2v/v％、5v/v％、10v/v％、15v/v％、20v/v％、25v/v％或30v/v％。

S2、前处理

请参阅图1和2，先在铸模200的模腔201内壁涂覆脱模剂，再将底部具有通孔101的燃烧器皿100和铸模200装配得到装配组件10，使得燃烧器皿100的通孔101连通于铸模200的模腔201，然后将装配组件10进行烘干处理，最后将铸模200置于5～35℃的水中。

对装配组件进行烘干处理能够去除燃烧器皿内壁以及铸模的模腔内壁的水份，避免水份和铝单质反应，并且避免燃烧器皿和铸模开裂。

可选地，铸模为铜铸模。

可选地，脱模剂为氮化硼。

可选地，燃烧器皿为底部具有通孔的坩埚。

可选地，烘干处理在加热炉中进行。

可选地，烘干处理包括在50～80℃下烘干1～2h。

5～35℃的水有利于铸模的模腔中的高温合金熔体在3～10s内冷却，而不置于冷却过快或过慢。

可选地，水为循环水。

需要说明的是，本申请的多孔铜合金的制备方法也可以采用其他冷却方法使得熔体在3～10s内冷却。

S3、铝热反应

在燃烧器皿的底部设置阻挡物，以使燃烧器皿和模腔在原料燃烧前不连通，然后将预制块置于燃烧器皿中，并在预制块的表面铺设一层镁粉层，采用镁条或钨丝点燃镁粉层，第一铝粉和氧化铜粉能够持续反应获得高温合金熔体，高温合金熔体熔化阻挡物，从而进入到铸模的模腔中，经过水冷，模腔中的高温合金熔体快速冷却制得多孔铜合金。

可选地，镁粉层的厚度为0.5～2mm。

可选地，镁粉层的厚度为0.8～1.2mm。

可选地，阻挡物为高分子泡沫板、铁片、铜片或铝片。

可选地，阻挡物的厚度为0.5～1mm。

作为示例，阻挡物的厚度可以为0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或1mm。

本申请的多孔铜合金的制备方法采用自蔓延燃烧合成法制备多孔铜合金，第一铝粉和氧化铜粉之间的铝热反应为放热反应，第一铝粉和氧化铜粉在被点燃后能够持续反应获得高温合金熔体，高分子材料制成的泡沫颗粒能够在高温中分解变成气体，从而在高温合金熔体中形成多个气泡，在快速冷却后，合金内部保留气孔制得多孔铜合金。由于铝热反应剧烈且迅速，稀释剂能够减缓铝热反应的速率。本申请的多孔铜合金的制备方法简便，反应速率快，工序较少，生产周期短，且在点燃第一铝粉和氧化铜粉后不再需要向反应体系提供其他能源，最大限度利用反应体系中的化学能，节省能源，且不需要保护气氛，污染较少。在本申请的多孔铜合金的制备方法中，燃烧和冷却在不同的容器中进行，以避免冷却过程影响到铝热反应。

以下结合实施例对本申请的一种多孔铜合金的制备方法作进一步的详细描述。

实施例1

本申请实施例提供一种多孔铜合金的制备方法，其包括以下步骤：

S1、准备原料

提供反应物、稀释剂和造孔剂。反应物为第一铝粉和氧化铜粉，氧化铜粉和第一铝粉的摩尔比为3:2；稀释剂为第二铝粉和铜粉，第二铝粉和铜粉的质量比为1:1，稀释剂的质量与反应物的质量比为3:10；造孔剂为粒径在1～100μm的聚苯乙烯泡沫颗粒。

将氧化铜粉和铜粉在80℃下干燥3h，然后将干燥后的粉体与铝粉(包括第一铝粉和第二铝粉)、聚苯乙烯泡沫颗粒混合均匀，制得原料，将原料压实制得预制块，预制块的相对密度为50～75％，在预制块中泡沫颗粒的体积百分数为15v/v％。

S2、前处理

请参阅图1和2，先在铜铸模的模腔内壁涂覆氮化硼，再将底部具有通孔的坩埚和铜铸模装配得到装配组件，使得坩埚的通孔连通于铜铸模的模腔，然后将装配组件在70℃下烘干1.2h，最后将铜铸模置于20℃的循环水中。

S3、铝热反应

在坩埚的底部设置厚度为0.8mm的铁片，以使坩埚和模腔在原料燃烧前不连通，然后将预制块置于坩埚中，并在预制块的表面铺设一层镁粉层，镁粉层的厚度为1mm，采用镁条点燃镁粉层，第一铝粉和氧化铜粉能够持续反应获得高温合金熔体，高温合金熔体熔化阻挡物，从而进入到铜铸模的模腔中，经过水冷，模腔中的高温合金熔体快速冷却制得多孔铜合金。

实施例2

本申请实施例提供一种多孔铜合金的制备方法，其包括以下步骤：

S1、准备原料

提供反应物、稀释剂和造孔剂。反应物为第一铝粉和氧化铜粉，氧化铜粉和第一铝粉的摩尔比为3:2；稀释剂为第二铝粉，稀释剂的质量与反应物的质量比为2:10；造孔剂为粒径在1～100μm的聚苯乙烯泡沫颗粒。

将氧化铜粉和铜粉在50℃下干燥5h，然后将干燥后的粉体与铝粉(包括第一铝粉和第二铝粉)、聚苯乙烯泡沫颗粒混合均匀，制得原料，将原料压实制得预制块，预制块的相对密度为50～75％，在预制块中泡沫颗粒的体积百分数为1v/v％。

S2、前处理

请参阅图1和2，先在铜铸模的模腔内壁涂覆氮化硼，再将底部具有通孔的坩埚和铜铸模装配得到装配组件，使得坩埚的通孔连通于铜铸模的模腔，然后将装配组件在50℃下烘干2h，最后将铜铸模置于20℃的循环水中。

S3、铝热反应

在坩埚的底部设置厚度为2mm的铜片，以使坩埚和模腔在原料燃烧前不连通，然后将预制块置于坩埚中，并在预制块的表面铺设一层镁粉层，镁粉层的厚度为2mm，采用镁条点燃镁粉层，第一铝粉和氧化铜粉能够持续反应获得高温合金熔体，高温合金熔体熔化阻挡物，从而进入到铜铸模的模腔中，经过水冷，模腔中的高温合金熔体快速冷却制得多孔铜合金。

实施例3

本申请实施例提供一种多孔铜合金的制备方法，其包括以下步骤：

S1、准备原料

提供反应物、稀释剂和造孔剂。反应物为第一铝粉和氧化铜粉，氧化铜粉和第一铝粉的摩尔比为3:2；稀释剂为铜粉，稀释剂的质量与反应物的质量比为5:10；造孔剂为粒径在1～100μm的聚苯乙烯泡沫颗粒。

将氧化铜粉和铜粉在100℃下干燥1h，然后将干燥后的粉体与铝粉(包括第一铝粉和第二铝粉)、聚苯乙烯泡沫颗粒混合均匀，制得原料，将原料压实制得预制块，预制块的相对密度为50～75％，在预制块中泡沫颗粒的体积百分数为30v/v％。

S2、前处理

请参阅图1和2，先在铜铸模的模腔内壁涂覆氮化硼，再将底部具有通孔的坩埚和铜铸模装配得到装配组件，使得坩埚的通孔连通于铜铸模的模腔，然后将装配组件在80℃下烘干1h，最后将铜铸模置于20℃的循环水中。

S3、铝热反应

在坩埚的底部设置厚度为0.5mm的铝片，以使坩埚和模腔在原料燃烧前不连通，然后将预制块置于坩埚中，并在预制块的表面铺设一层镁粉层，镁粉层的厚度为0.5mm，采用镁条点燃镁粉层，第一铝粉和氧化铜粉能够持续反应获得高温合金熔体，高温合金熔体熔化阻挡物，从而进入到铜铸模的模腔中，经过水冷，模腔中的高温合金熔体快速冷却制得多孔铜合金。

对比例1

本申请对比例提供一种多孔铜合金的制备方法，其包括以下步骤：

S1、准备原料

提供反应物、稀释剂和造孔剂。反应物为第一铝粉和氧化铜粉，氧化铜粉和第一铝粉的摩尔比为3:2；稀释剂为第二铝粉和铜粉，第二铝粉和铜粉的质量比为1:1，稀释剂的质量与反应物的质量比为3:10；造孔剂为粒径在1～100μm的聚苯乙烯泡沫颗粒。

将氧化铜粉和铜粉在80℃下干燥3h，然后将干燥后的粉体与铝粉(包括第一铝粉和第二铝粉)、聚苯乙烯泡沫颗粒混合均匀，制得原料，将原料压实制得预制块，预制块的相对密度为50～75％，在预制块中泡沫颗粒的体积百分数为15v/v％。

S2、前处理

请参阅图1和2，先在铜铸模的模腔内壁涂覆氮化硼，再将底部具有通孔的坩埚和铜铸模装配得到装配组件，使得坩埚的通孔连通于铜铸模的模腔，然后将装配组件在70℃下烘干1.2h，最后将铜铸模置于50℃的循环水中。

S3、铝热反应

在坩埚的底部设置厚度为0.8mm的铁片，以使坩埚和模腔在原料燃烧前不连通，然后将预制块置于坩埚中，并在预制块的表面铺设一层镁粉层，镁粉层的厚度为1mm，采用镁条点燃镁粉层，第一铝粉和氧化铜粉能够持续反应获得高温合金熔体，高温合金熔体熔化阻挡物，从而进入到铜铸模的模腔中，经过水冷，模腔中的高温合金熔体快速冷却制得多孔铜合金。

试验例1

分别取实施例1和对比例1的多孔铜合金的制备方法制备得到的多孔铜合金，其图示如图3和4所示。

由图3可知，实施例1的多孔铜合金的制备方法制备得到的多孔铜合金的截面上有多个孔洞结构分布和大小相对均匀。

由图4可知，对比例1的多孔铜合金的制备方法制备得到的多孔铜合金的截面上多个孔洞结构较大，且数量较少。

以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多孔铜合金的制备方法，其特征在于，所述多孔铜合金的制备方法包括：将原料点燃使其转变为熔体，使所述熔体在3～10s内冷却，制得多孔铜合金；

所述原料包括反应物、稀释剂和造孔剂，所述反应物包括第一铝粉和氧化铜粉，所述稀释剂包括第二铝粉和/或铜粉，所述造孔剂包括泡沫颗粒，所述泡沫颗粒的材质为高分子材料。

2.根据权利要求1所述的多孔铜合金的制备方法，其特征在于，所述氧化铜粉和所述第一铝粉的摩尔比为3:2。

3.根据权利要求1所述的多孔铜合金的制备方法，其特征在于，所述稀释剂的质量与所述反应物的质量比为2～5:10。

4.根据权利要求1所述的多孔铜合金的制备方法，其特征在于，在所述点燃前，将所述原料置于燃烧器皿中，所述燃烧器皿的底部连通于铸模的模腔，在将所述原料点燃使得其转变为所述熔体后，所述熔体流入到所述模腔中，对所述模腔进行冷却处理。

5.根据权利要求4所述的多孔铜合金的制备方法，其特征在于，所述铸模置于5～35℃的水中；

可选地，所述水为循环水。

6.根据权利要求4所述的多孔铜合金的制备方法，其特征在于，在将所述原料置于所述燃烧器皿中前，将所述原料压实制得预制块；

可选地，所述预制块的相对密度为50～75％。

7.根据权利要求6所述的多孔铜合金的制备方法，其特征在于，在所述预制块中所述泡沫颗粒的体积百分数为1～30v/v％；

可选地，所述泡沫颗粒的粒径为1～100μm。

8.根据权利要求4所述的多孔铜合金的制备方法，其特征在于，在将所述原料置于所述燃烧器皿中后，在所述原料的上表面铺设一层镁粉层；

可选地，所述镁粉层的厚度为0.5～2mm；

可选地，采用镁条或钨丝点燃所述镁粉层。

9.根据权利要求4所述的多孔铜合金的制备方法，其特征在于，所述燃烧器皿的底部设置有阻挡物，以使所述燃烧器皿和所述模腔在所述原料燃烧前不连通。

10.根据权利要求4所述的多孔铜合金的制备方法，其特征在于，所述燃烧器皿和所述铸模在使用前进行烘干处理；

可选地，所述烘干处理包括在50～80℃下干燥1～2h。

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