CN117488132A - 一种原位反应制备y2o3/w复相强化铜基复合材料的方法 - Google Patents
一种原位反应制备y2o3/w复相强化铜基复合材料的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117488132A CN117488132A CN202311523424.1A CN202311523424A CN117488132A CN 117488132 A CN117488132 A CN 117488132A CN 202311523424 A CN202311523424 A CN 202311523424A CN 117488132 A CN117488132 A CN 117488132A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- powder
- composite material
- based composite
- sintering
- precursor powder
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000010949 copper Substances 0.000 title claims abstract description 82
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 67
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 62
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 62
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 38
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title claims abstract description 35
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 151
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims abstract description 84
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims abstract description 51
- 229910002530 Cu-Y Inorganic materials 0.000 claims abstract description 39
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 23
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 23
- HXQQNYSFSLBXQJ-UHFFFAOYSA-N COC1=C(NC(CO)C(O)=O)CC(O)(CO)CC1=NCC(O)=O Chemical compound COC1=C(NC(CO)C(O)=O)CC(O)(CO)CC1=NCC(O)=O HXQQNYSFSLBXQJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 19
- -1 salt compound Chemical class 0.000 claims abstract description 17
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 16
- 238000000280 densification Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 12
- 238000004321 preservation Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 claims description 55
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 33
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 32
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 26
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 26
- 238000001354 calcination Methods 0.000 claims description 23
- 238000005551 mechanical alloying Methods 0.000 claims description 22
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 17
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 16
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims description 14
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 claims description 12
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 12
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 11
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims description 8
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 6
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims description 6
- 238000007792 addition Methods 0.000 claims description 5
- 238000002490 spark plasma sintering Methods 0.000 claims description 5
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims description 4
- 238000004886 process control Methods 0.000 claims description 4
- 238000011049 filling Methods 0.000 claims description 3
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000004100 electronic packaging Methods 0.000 claims description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000005022 packaging material Substances 0.000 claims description 2
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 claims description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 abstract description 23
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 8
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 6
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 description 5
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 4
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 4
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 238000003837 high-temperature calcination Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000011156 metal matrix composite Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000011224 oxide ceramic Substances 0.000 description 1
- 229910052574 oxide ceramic Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001175 oxide dispersion-strengthened alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C9/00—Alloys based on copper
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/10—Sintering only
- B22F3/1039—Sintering only by reaction
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
- B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
- B22F9/04—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from solid material, e.g. by crushing, grinding or milling
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
- B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
- B22F9/04—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from solid material, e.g. by crushing, grinding or milling
- B22F2009/043—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from solid material, e.g. by crushing, grinding or milling by ball milling
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
- Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)
Abstract
一种原位反应制备Y2O3/W复相强化铜基复合材料的方法,涉及金属基复合材料制备领域。金属单质Y粉与W盐化合物分别与Cu粉先单独进行机械合金化、煅烧还原得到Cu‑Y前驱体粉末和Cu‑WO3前驱体粉末,然后混合再次机械合金化,并通过放电等离子体烧结致密化获得高致密度高性能Y2O3/W复相强化铜基复合材料。与传统的直接添加弥散相的方法相比,原位反应在烧结过程中完成,减少了弥散相在烧结保温过程中的粗化,这种原位反应合成的强化相可以更加均匀地分布在铜基体中,增强材料的强度和韧性。同时,原位反应合成的强化相与铜基体之间的界面结合强度较高,不容易产生界面层剥离和断裂,从而提高了材料的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及金属基复合材料制备领域,具体是涉及一种原位反应制备Y2O3/W复相强化铜基复合材料的方法。制备的铜基复合材料可以应用于高强高导部件、集成电路引线框架以及核聚变堆偏滤器等领域。
背景技术
氧化物弥散强化铜(ODS-Cu)基复合材料,其特点在于采用氧化物颗粒作为弥散相,并利用弥散强化机制来增强铜基体的性能。氧化物陶瓷颗粒以其高硬度和高化学稳定性等特性而著称,能有效提升材料的力学性能、高温力学性能以及耐磨耐蚀性能。此外,氧化物颗粒具备高熔点和卓越的热稳定性,且不易发生扩散和团聚,从而有效提高了材料的抗高温软化性能。
然而,氧化物弥散强化铜合金在强度与导电性能之间的平衡方面面临着挑战。随着氧化物含量的增加,虽然铜基体的力学性能会得到提升,但由于超细氧化物颗粒具有极高的电阻率,这会显著降低导电率并限制电子的迁移,导致铜基体的电阻率增加超过25%。在此背景下,钨(W)因其高熔点、卓越的抗蠕变性、杰出的热稳定性以及高热导率(室温热导率可达174W/(m·K))而备受青睐,被视为理想的选择。根据Miedema规则的计算,Cu-W系统的形成焓高达33kJ/mol,这意味着即使在铜的熔点下,Cu-W系统也不存在固溶度。因此,通过部分替代氧化物颗粒以引入W颗粒,可以制备出一种具有复合相弥散强化特性的铜合金,从而在不影响合金弥散相密度和基体强度的前提下提高导电性能。
金属氧化物颗粒和W颗粒均具有高的弹性模量和硬度,但通过机械合金化方法直接添加弥散相时,通常难以实现均匀的颗粒分布。颗粒的聚集和团聚现象可能会出现,这会影响弥散相的分散性,进而影响材料的力学性能和其他性能指标。此外,添加的弥散相颗粒尺寸通常具有较大的分散度,难以精确控制。这会导致复合材料中弥散相的尺寸和数量的变化,进而影响材料的性能一致性和可重复性。通常情况下,弥散相颗粒与基体材料之间缺乏有针对性的反应处理,往往只是简单地混合。这可能导致弥散相与基体之间的结合强度不高,从而降低复合材料的整体性能。
然而,通过原位反应的方式,在复合材料的制备过程中,W和Y2O3均通过原位反应生成,可以实现两类弥散相的均匀分布于铜基体中。这种均匀分布有望提高复合材料的强度和韧性,并改善材料的工艺可塑性。这一方法为提高氧化物弥散强化铜合金的性能提供了有前景的途径。
发明内容
本发明提出了一种原位反应制备Y2O3/W复相强化铜基复合材料的方法,主要解决的是直接添加弥散相颗粒导致难以细化的问题,利用原位反应生成复相,通过细化弥散相颗粒与促进弥散相分散均匀性,来达到强化铜基体的目的。
为了实现上述目的,本发明所采用的技术方案为:
一种原位反应制备Y2O3/W复相强化铜基复合材料的方法,金属单质Y粉与W盐化合物分别与Cu粉先单独进行机械合金化、煅烧还原得到Cu-Y前驱体粉末和Cu-WO3前驱体粉末,然后混合再次机械合金化,最终通过放电等离子体烧结致密化使金属单质Y与WO3原位反应生成W颗粒弥散相和Y2O3颗粒弥散相,从而获得高致密度高性能Y2O3/W复相强化铜基复合材料。
本发明主要是以金属单质Y粉末作为氧化物弥散颗粒前驱体,以W盐化合物作为W弥散颗粒前驱体,利用金属单质Y与WO3原位反应生成W颗粒弥散相和Y2O3颗粒弥散相,形成细小、分布均匀的弥散相。通过热力学计算反应生成焓:
ΔHf(Y2O3,s)≈-1900kJ/mol
ΔHf(WO3,s)≈-837kJ/mol
ΔHf(W,s)=ΔHf(Y,s)≈0kJ/mol(元素的生成焓为0)
考虑到反应方程:2Y+3WO3→Y2O3+3W,计算反应的标准生成焓ΔHr为:
ΔHr=ΔHf(产物)-ΔHf(反应物)
ΔHr=[ΔHf(Y2O3)+3×ΔHf(W)]-[ΔHf(Y)+3×ΔHf(WO3)]
因此,可以计算出ΔHr=611kJ/mol,说明反应吸热,高温有利于反应的进行。
本发明制备的Y2O3/W复相强化铜基复合材料中,W颗粒弥散相平均尺寸为10-50nm,Y2O3颗粒弥散相平均尺寸为10-50nm,复合材料中Y2O3、W所占的质量分数分别为1-3%、0.82-2.44%。可以应用在高强高导部件、集成电路引线框架以及电子封装材料等领域。
作为本发明的优选技术方案,制备方法具体包括如下步骤:
步骤1、机械合金化制备前驱体粉末
针对所要制备的弥散强化铜基材料,向1号硬质合金球磨罐中加入Cu粉、金属单质Y粉以及过程控制剂;向2号硬质合金球磨罐中加入Cu粉、W盐化合物和过程控制剂;加入硬质合金磨球,在氩气氛围手套箱中进行罐体的密封操作,然后将罐体放入高能球磨机中进行球磨,得到Cu-Y前驱体粉末和Cu-W盐前驱体粉末;
步骤2、前驱体粉末的煅烧还原
将步骤1得到的两种前驱体粉末进行氢气氛围的煅烧还原,得到纯净的Cu-Y前驱体粉末和Cu-WO3前驱体粉末;
步骤3、煅烧粉末的混合与机械合金化
将步骤2还原后的Cu-Y前驱体粉末和Cu-WO3前驱体粉末一同放入球磨罐中,加入硬质合金磨球,在氩气氛围手套箱中进行罐体的密封操作,然后将罐体放入高能球磨机中进行球磨混合,得到Cu-Y/WO3前驱体粉末;
步骤4、Y2O3/W复相强化铜基复合材料的烧结致密化制备
将步骤3制备的Cu-Y/WO3前驱体粉末进行放电等离子体烧结致密化,烧结过程发生原位反应生成Y2O3、W颗粒弥散相,最终得到Y2O3/W复相强化铜基复合材料。
作为本发明的进一步优选技术方案,制备方法中:
步骤1中金属单质Y粉、W盐化合物之间的添加量比例为1:1-5。球磨参数为:磨球直径为7mm,球粉比为6-8:2-4,转速为300-800rpm,球磨时间为16-48h。
步骤2中煅烧还原的参数为:所用气氛为H2含量10%的Ar-H2混合气体,升温速率为5℃/min,煅烧温度为600℃,保温时间为2h。煅烧还原得目的是将烘干过程被氧化的Cu再次还原,以及将W盐化合物煅烧分解成WO3。
步骤3中球磨参数为:磨球直径为7mm,球粉比为6-8:2-4,转速为100-300rpm,球磨时间为5-16h。
步骤4中烧结致密化具体步骤为:
将Cu-Y/WO3前驱体粉末装入烧结模具中,用碳纸隔绝模具壁与粉体,置于放电等离子体烧结炉中,对烧结炉抽真空处理;设置初始压强为10MPa,开始烧结,从室温升温至600℃并保温5min;再升温至900℃并保温5min,在升温过程中手动加压至烧结压强为50MPa,升温速率为100℃/min;保温结束后随炉冷却,取出产物,用砂轮机打磨表面的碳纸,最终得到Y2O3/W复相强化铜基复合材料。
本发明所采用铜基复合材料的制备基材为Cu粉末、金属Y单质粉末与W化合物粉末,采用机械合金化工艺,高温煅烧还原以及放电等离子体烧结技术进行成型,基于原位反应制备出弥散相尺寸细小,致密化程度高的Y2O3/W复相强化铜基复合材料。
与现有技术相比,本发明的有益效果主要表现在:
1、添加的金属单质Y粉末具有比Y2O3更低的弹性模量,金属钇粉的弹性模量为64-72GPa,而Y2O3粉末的弹性模量高达200~300GPa,在机械合金化过程中更易破碎。添加的W盐为分子量级,更易分散,避免了直接添加W颗粒难以破碎的问题,经煅烧还原后只产生WO3,不会引入杂质,保持铜基体的高纯度,尽可能降低对铜基体导热性能影响。
2、金属单质Y粉、W盐化合物分别与Cu粉先单独机械合金化,煅烧还原后混合再进行机械合金化,从而避免W盐化合物、金属单质Y粉和Cu粉同时机械合金化产生复杂的反应。
3、通过机械合金化化学反应,以原位形式生成强化相W和Y2O3。与传统的直接添加弥散相的方法相比,原位反应在烧结过程中完成,减少了弥散相在烧结保温过程中的粗化,这种原位反应合成的强化相可以更加均匀地分布在铜基体中,增强材料的强度和韧性。
4、原位反应合成的强化相与铜基体之间的界面结合强度较高,不容易产生界面层剥离和断裂,从而提高了材料的力学性能。
5、原位反应合成的强化相W和Y2O3的热膨胀系数与铜相对接近,减小了由温度变化引起的热应力和热膨胀差异,提高了复合材料的抗热膨胀性能。
6、W和Y2O3作为共同的强化相,能够提供复合材料的多重性能优势。W的高熔点、优异的力学性能和热导率,以及Y2O3的高硬度和化学稳定性,可以提高复合材料的强度、导热性能和抗磨耐蚀性能,适用于高温、高载荷和摩擦磨损等严酷的工作条件。
附图说明
图1为本发明制备Y2O3/W复相强化铜基复合材料的工艺流程图。
图2为实施例1与对比例1所制得复合材料的xrd图谱。
图3为实施例1与对比例1所制得复合材料的拉伸曲线。
图4为对比例1所制得复合材料的断口SEM以及EDS图。
图5为实施例1所制得复合材料的断口SEM以及EDS图。
具体实施方式
下面结合对本发明的较佳实施例和对比实施例进行详细阐述,以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解,从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1所示,本发明提出的一种Y2O3/W复相强化铜基复合材料的制备方法,金属单质Y粉与W盐化合物分别与Cu粉先单独机械合金化、煅烧还原,然后混合再进行机械合金化,以弹性模量低的金属单质Y粉末作为氧化物弥散颗粒前驱体,以W盐化合物作为W弥散颗粒前驱体,利用煅烧还原后的金属单质Y与WO3通过放电等离子体烧结致密化,原位反应生成W和Y2O3弥散相,形成细小、分布均匀的弥散相,最终获得高致密度高性能Y2O3/W复相强化铜基复合材料。
实施例1:
本实施例中制备的Y2O3/W复相强化铜基复合材料,以H2WO4作为W盐化合物,采用机械合金化工艺、煅烧还原和放电等离子体烧结,制备出Y2O3/W复相强化铜基复合材料(其中Y2O3含量为1.5wt%,W含量为1.22wt%)。
本实施例中制备Y2O3/W复相强化铜基复合材料的方法如下:
步骤1、机械合金化制备前驱体粉末
针对所要制备的Y2O3/W复相强化铜基复合材料,向1号硬质合金球磨罐中加入Cu粉48.88g、金属单质Y粉1.18g和无水乙醇10mL;向2号硬质合金球磨罐中加入Cu粉48.4g、H2WO4粉1.66g和无水乙醇10mL;加入硬质合金磨球,球粉比为3:1,在氩气氛围真空手套箱中进行球磨罐的密封,后放入高能球磨机中,转速为500rpm,球磨时间32h,得到Cu-Y前驱体粉末和Cu-H2WO4前驱体粉末;
步骤2、前驱体粉末的煅烧还原
将步骤1得到的两种前驱体粉末,在50℃烘箱先进行干燥1h,后进行煅烧还原,还原气氛为Ar-H2混合气体(H2含量10%),先在室温下通气20min,排除管内空气,后升温至600℃保温2h,升温速率为5℃/min,得到纯净的Cu-Y前驱体粉末和Cu-WO3前驱体粉末。
步骤3、煅烧粉末的混合与机械合金化
将步骤2还原后的Cu-Y前驱体粉末和Cu-WO3前驱体粉末一同放入球磨罐中,加入硬质合金磨球,球粉比为3:1,在氩气氛围真空手套箱中进行球磨罐的密封,后放入高能球磨机中,转速为200rpm,球磨时间6h,得到Cu-Y/WO3前驱体粉末。
步骤4、Y2O3/W复相强化铜基复合材料的烧结致密化
将步骤3制备的Cu-Y/WO3前驱体粉末装入烧结模具中,用碳纸隔绝模具壁与混合粉,置于放电等离子体烧结炉中,对烧结炉抽真空处理。设置初始压强为10MPa,开始烧结,从室温升温至600℃并保温5min;然后升温至900℃并保温5min,在升温的过程中手动加压至烧结压强为50MPa,升温速率均为100℃/min。保温结束后随炉冷却,取出产物,用砂轮机打磨表面的碳纸,烧结过程发生原位反应生成Y2O3与W,得到Y2O3/W复相强化铜基复合材料。
实施例2:
本实施例中制备的Y2O3/W复相强化铜基复合材料,以(NH4)6H2W12O40·xH2O作为W盐化合物,采用机械合金化工艺、煅烧还原和放电等离子体烧结,制备出Y2O3/W复相强化铜基复合材料(其中Y2O3含量为1.5wt%,W含量为1.22wt%)。
本实施例中制备Y2O3/W复相强化铜基复合材料的方法如下:
步骤1、机械合金化制备前驱体粉末
针对所要制备的Y2O3/W复相强化铜基复合材料,向1号硬质合金球磨罐中加入Cu粉48.41g、金属单质Y粉1.18g和无水乙醇10mL;向2号硬质合金球磨罐中加入Cu粉48.86g、(NH4)6H2W12O40·xH2O粉(分子量为2956.3)1.63g和无水乙醇10mL;加入硬质合金磨球,球粉比为3:1,在氩气氛围真空手套箱中进行球磨罐的密封,后放入高能球磨机中,转速为500rpm,球磨时间32h,得到Cu-Y前驱体粉末和Cu-(NH4)6H2W12O40·xH2O前驱体粉末;
步骤2、前驱体粉末的煅烧还原
将步骤1得到的两种前驱体粉末,在50℃烘箱先进行干燥1h,后进行煅烧还原,还原气氛为Ar-H2混合气体(H2含量10%),先在室温下通气20min,排除管内空气,后升温至600℃保温2h,升温速率为5℃/min,得到纯净的Cu-Y前驱体粉末和Cu-WO3前驱体粉末。
步骤3、煅烧粉末的混合与机械合金化
将步骤2还原后的Cu-Y前驱体粉末和Cu-WO3前驱体粉末一同放入球磨罐中,加入硬质合金磨球,球粉比为3:1,在氩气氛围真空手套箱中进行球磨罐的密封,后放入高能球磨机中,转速为200rpm,球磨时间6h,得到Cu-Y/WO3前驱体粉末。
步骤4、Y2O3/W复相强化铜基复合材料的烧结致密化
将步骤3制备的Cu-Y/WO3前驱体粉末装入烧结模具中,用碳纸隔绝模具壁与混合粉,置于放电等离子体烧结炉中,对烧结炉抽真空处理。设置初始压强为10MPa,开始烧结,从室温升温至600℃并保温5min;然后升温至900℃并保温5min,在升温的过程中手动加压至烧结压强为50MPa,升温速率均为100℃/min。保温结束后随炉冷却,取出产物,用砂轮机打磨表面的碳纸,烧结过程发生原位反应生成Y2O3与W,得到Y2O3/W复相强化铜基复合材料。
实施例3:
本实施例中制备的Y2O3/W复相强化铜基复合材料,以(NH4)6H2W12O40·xH2O作为W盐化合物,采用机械合金化工艺、煅烧还原和放电等离子体烧结,制备出Y2O3/W复相强化铜基复合材料(其中Y2O3含量为1wt%,W含量为0.82wt%)。
本实施例中制备Y2O3/W复相强化铜基复合材料的方法如下:
步骤1、机械合金化制备前驱体粉末
针对所要制备的Y2O3/W复相强化铜基复合材料,向1号硬质合金球磨罐中加入Cu粉49.24g、金属单质Y粉0.79g和无水乙醇10mL;向2号硬质合金球磨罐中加入Cu粉48.94g、(NH4)6H2W12O40·xH2O粉(分子量为2956.3)1.09g和无水乙醇10mL;加入硬质合金磨球,球粉比为3:1,在氩气氛围真空手套箱中进行球磨罐的密封,后放入高能球磨机中,转速为500rpm,球磨时间32h,得到Cu-Y前驱体粉末和Cu-(NH4)6H2W12O40·xH2O前驱体粉末;
步骤2、前驱体粉末的煅烧还原
将步骤1得到的两种前驱体粉末,在50℃烘箱先进行干燥1h,后进行煅烧还原,还原气氛为Ar-H2混合气体(H2含量10%),先在室温下通气20min,排除管内空气,后升温至600℃保温2h,升温速率为5℃/min,得到纯净的Cu-Y前驱体粉末和Cu-WO3前驱体粉末。
步骤3、煅烧粉末的混合与机械合金化
将步骤2还原后的Cu-Y前驱体粉末和Cu-WO3前驱体粉末一同放入球磨罐中,加入硬质合金磨球,球粉比为3:1,在氩气氛围真空手套箱中进行球磨罐的密封,后放入高能球磨机中,转速为200rpm,球磨时间6h,得到Cu-Y/WO3前驱体粉末。
步骤4、Y2O3/W复相强化铜基复合材料的烧结致密化
将步骤3制备的Cu-Y/WO3前驱体粉末装入烧结模具中,用碳纸隔绝模具壁与混合粉,置于放电等离子体烧结炉中,对烧结炉抽真空处理。设置初始压强为10MPa,开始烧结,从室温升温至600℃并保温5min;然后升温至900℃并保温5min,在升温的过程中手动加压至烧结压强为50MPa,升温速率均为100℃/min。保温结束后随炉冷却,取出产物,用砂轮机打磨表面的碳纸,烧结过程发生原位反应生成Y2O3与W,得到Y2O3/W复相强化铜基复合材料。
对比例1:
作为对比例,本实施例比较直接添加Y2O3颗粒与W颗粒,采用机械合金化工艺、煅烧还原以及放电等离子体烧结下制备出的Y2O3/W复相强化铜基复合材料性能差异(其中Y2O3含量为1.5wt%,W含量为1.22wt%)。
步骤1、机械合金化制备前驱体粉末
针对所要制备的Y2O3/W复相强化铜基复合材料,向1号硬质合金球磨罐中加入Cu粉48.5g、Y2O3粉1.5g和无水乙醇10mL;向2号硬质合金球磨罐中加入Cu粉48.78g、W粉1.22g和无水乙醇10mL;加入硬质合金磨球,球粉比为3:1,在氩气氛围真空手套箱中进行球磨罐的密封,后放入高能球磨机中,转速为500rpm,球磨时间32h,得到Cu-Y2O3前驱体粉末和Cu-W前驱体粉末;
步骤2、前驱体粉末的煅烧还原
将步骤1得到的两种前驱体粉末,在50℃烘箱先进行干燥1h,后进行对球磨粉末进行还原,还原气氛为Ar-H2混合气体(H2含量10%),先在室温下通气20min,排除管内空气,后升温至600℃保温2h,升温速率为5℃/min,得到纯净的Cu-Y2O3前驱体粉末和Cu-W前驱体粉末。步骤2煅烧还原目的是将烘干过程被氧化的Cu再次还原。
步骤3、煅烧粉末的混合与机械合金化
将步骤2还原后的Cu-Y2O3前驱体粉末和Cu-W前驱体粉末一同放入球磨罐中,加入硬质合金磨球,球粉比为3:1,在氩气氛围真空手套箱中进行球磨罐的密封,后放入高能球磨机中,转速为200rpm,球磨时间6h,得到Cu-Y2O3/W前驱体粉末。
步骤4、Y2O3/W复相强化铜基复合材料的烧结致密化
将步骤3制备的Cu-Y2O3/W前驱体粉末装入烧结模具中,用碳纸隔绝模具壁与混合粉,置于放电等离子体烧结炉中,对烧结炉抽真空处理。设置初始压强为10MPa,开始烧结,从室温升温至600℃并保温5min;然后升温至900℃并保温5min,在升温的过程中手动加压至烧结压强为50MPa,升温速率均为100℃/min。保温结束后随炉冷却,取出产物,用砂轮机打磨表面的碳纸,得到Y2O3/W复相强化铜基复合材料。
表1实施例1~3以及对比例1制备复合材料的性能测试。
由表1可以看出,与对比例1相比,实施例1、2、3制备的复合材料具有更加优异的综合性能。
结合图2-5可知:
1:通过图2根据衍射峰的位置标定分析可以得出,在放电等离子烧结过程原位生成了Y2O3与W。
2:通过图3可以对比得出,原位引入的Y2O3与W,相比于直接添加,对铜基体的性能提升更明显,极限抗拉强度与断裂延伸率均有提升。
3:通过图4与图5断口的对比,可以观察出,直接添加弥散相的断口处存在大量弥散相的团聚,而通过原位反应引入的Y2O3与W则有均匀弥散的效果。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明,所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围,均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种原位反应制备Y2O3/W复相强化铜基复合材料的方法,其特征在于,金属单质Y粉与W盐化合物分别与Cu粉先单独进行机械合金化、煅烧还原得到Cu-Y前驱体粉末和Cu-WO3前驱体粉末,然后混合再次机械合金化,并通过放电等离子体烧结致密化使金属单质Y与WO3原位反应生成W颗粒弥散相和Y2O3颗粒弥散相,从而获得高致密度高性能Y2O3/W复相强化铜基复合材料。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述W盐化合物为H2WO4或(NH4)6H2W12O40·xH2O。
3.如权利要求1或2所述的方法,其特征在于,具体包括如下步骤:
步骤1、机械合金化制备前驱体粉末
针对所要制备的弥散强化铜基材料,向1号硬质合金球磨罐中加入Cu粉、金属单质Y粉以及过程控制剂;向2号硬质合金球磨罐中加入Cu粉、W盐化合物和过程控制剂;加入硬质合金磨球,在氩气氛围手套箱中进行罐体的密封操作,然后将罐体放入高能球磨机中进行球磨,得到Cu-Y前驱体粉末和Cu-W盐前驱体粉末;
步骤2、前驱体粉末的煅烧还原
将步骤1得到的两种前驱体粉末进行氢气氛围的煅烧还原,得到纯净的Cu-Y前驱体粉末和Cu-WO3前驱体粉末;
步骤3、煅烧粉末的混合与机械合金化
将步骤2还原后的Cu-Y前驱体粉末和Cu-WO3前驱体粉末一同放入球磨罐中,加入硬质合金磨球,在氩气氛围手套箱中进行罐体的密封操作,然后将罐体放入高能球磨机中进行球磨混合,得到Cu-Y/WO3前驱体粉末;
步骤4、Y2O3/W复相强化铜基复合材料的烧结致密化制备
将步骤3制备的Cu-Y/WO3前驱体粉末进行放电等离子体烧结致密化,烧结过程发生原位反应生成Y2O3、W颗粒弥散相,最终得到Y2O3/W复相强化铜基复合材料。
4.如权利要求3所述的方法,其特征在于,步骤1中金属单质Y粉、W盐化合物之间的添加量比例为1:1-5。
5.如权利要求3所述的方法,其特征在于,步骤1中球磨参数为:磨球直径为7mm,球粉比为6-8:2-4,转速为300-800rpm,球磨时间为16-48h。
6.如权利要求3所述的方法,其特征在于,步骤2中煅烧还原的参数为:所用气氛为H2含量10%的Ar-H2混合气体,升温速率为5℃/min,煅烧温度为600℃,保温时间为2h。
7.如权利要求3所述的方法,其特征在于,步骤3中球磨参数为:磨球直径为7mm,球粉比为6-8:2-4,转速为100-300rpm,球磨时间为5-16h。
8.如权利要求3所述的方法,其特征在于,步骤4中烧结致密化具体步骤为:
将Cu-Y/WO3前驱体粉末装入烧结模具中,用碳纸隔绝模具壁与粉体,置于放电等离子体烧结炉中,对烧结炉抽真空处理;设置初始压强为10MPa,开始烧结,从室温升温至600℃并保温5min;再升温至900℃并保温5min,在升温过程中手动加压至烧结压强为50MPa,升温速率为100℃/min;保温结束后随炉冷却,取出产物,用砂轮机打磨表面的碳纸,最终得到Y2O3/W复相强化铜基复合材料。
9.如权利要求1-8任一项所述方法制备的Y2O3/W复相强化铜基复合材料,其特征在于,复合材料中W颗粒弥散相平均尺寸为10-50nm,Y2O3颗粒弥散相平均尺寸为10-50nm,复合材料中Y2O3、W所占的质量分数分别为1-3%、0.82-2.44%。
10.如权利要求9所述Y2O3/W复相强化铜基复合材料在高强高导部件、集成电路引线框架以及电子封装材料中的应用。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202311523424.1A CN117488132A (zh) | 2023-11-13 | 2023-11-13 | 一种原位反应制备y2o3/w复相强化铜基复合材料的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202311523424.1A CN117488132A (zh) | 2023-11-13 | 2023-11-13 | 一种原位反应制备y2o3/w复相强化铜基复合材料的方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN117488132A true CN117488132A (zh) | 2024-02-02 |
Family
ID=89676183
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202311523424.1A Pending CN117488132A (zh) | 2023-11-13 | 2023-11-13 | 一种原位反应制备y2o3/w复相强化铜基复合材料的方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN117488132A (zh) |
-
2023
- 2023-11-13 CN CN202311523424.1A patent/CN117488132A/zh active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN105803236B (zh) | 一种非晶合金增强的铝基复合材料及其制备方法 | |
CN109136615B (zh) | 一种高强高塑弥散强化铜基复合材料的制备方法 | |
CN110157932B (zh) | 一种基于原位合成的石墨烯改性铜基电触头材料的制备方法 | |
CN110331325B (zh) | 一种纳米氧化铝增强铜基复合材料及其制备方法 | |
CN109576545B (zh) | 一种具有混晶结构的Ti(C,N)基金属陶瓷及其制备方法 | |
CN113122747B (zh) | 一种具有优异力学性能的Cu-(WC-Y2O3)复合材料制备方法 | |
CN114107716A (zh) | 一种电触头用铜基复合材料的制备方法 | |
CN108570572A (zh) | 一种纳米氧化物弥散强化Cu-Ti合金及其制备方法 | |
CN115094265B (zh) | 一种钨/金属氧化物颗粒复相强化铜基复合材料及其制备方法 | |
CN113186417A (zh) | 一种氧化石墨烯-碳量子点增强铜基复合材料的制备方法 | |
CN112030025B (zh) | W/wc复合晶粒增强钨铜复合材料及其制备方法 | |
CN113667854A (zh) | 一种max相强化的钨/钼细晶合金及其制备方法 | |
CN114752838A (zh) | 铜基氧化物弥散强化的Cu-Y2O3复合材料制备方法 | |
CN100432252C (zh) | 制备纳米SiC增强铝基复合材料的方法 | |
CN107841669B (zh) | 一种高导热活性复合封装材料及其制备方法 | |
CN111636006B (zh) | 一种铝硅合金石墨复合导热材料及其制备与应用 | |
CN116287850B (zh) | 一种石墨烯改性的铜基复合材料制备方法 | |
CN114807660B (zh) | 一种通过含铜金属间化合物制备铜基复合材料的方法 | |
CN115747552B (zh) | 一种纳米铜修饰碳纳米管增强钛基复合材料的制备方法 | |
CN110079689B (zh) | 一种原位铝基复合材料及其制备方法 | |
CN117488132A (zh) | 一种原位反应制备y2o3/w复相强化铜基复合材料的方法 | |
CN115747553A (zh) | 一种利用去离子水作为过程控制剂兼氧化剂制备Cu基复合材料的方法 | |
CN115846672A (zh) | 一种用于引线框架的高强高导铜基复合材料的制备方法 | |
JP2552679B2 (ja) | 高硬度複合銅合金の製造方法 | |
CN106086514B (zh) | 一种氧化钕弥散强化铜基合金及其制备方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination |