SK288815B6 - Method for preparation of nano-crystalline powder mixture Cu – Al2O3 – MgO - Google Patents

Method for preparation of nano-crystalline powder mixture Cu – Al2O3 – MgO Download PDF

Info

Publication number
SK288815B6
SK288815B6 SK1012018A SK1012018A SK288815B6 SK 288815 B6 SK288815 B6 SK 288815B6 SK 1012018 A SK1012018 A SK 1012018A SK 1012018 A SK1012018 A SK 1012018A SK 288815 B6 SK288815 B6 SK 288815B6
Authority
SK
Slovakia
Prior art keywords
mgo
al2o3
powder
nano
preparation
Prior art date
Application number
SK1012018A
Other languages
Slovak (sk)
Other versions
SK1012018A3 (en
Inventor
Ing. Ďurišinová Katarína
Ing. Szabó Juraj, PhD.
Ing. CSc. Ďurišin Juraj
Ing. DrSc. Saksl Karel
doc. Ing. Milkovič Ondrej, PhD.
Original Assignee
Ústav materiálového výskumu SAV, v.v.i.
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ústav materiálového výskumu SAV, v.v.i. filed Critical Ústav materiálového výskumu SAV, v.v.i.
Priority to SK1012018A priority Critical patent/SK288815B6/en
Publication of SK1012018A3 publication Critical patent/SK1012018A3/en
Publication of SK288815B6 publication Critical patent/SK288815B6/en

Links

Landscapes

  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)

Abstract

The preparation of nano-crystalline powdered Cu containing various volume ratio of secondary phases Al2O3 and MgO is realized by means of phase changes - in situ method, and by mechanical grinding. The secondary phases –Al2O3 and MgO nanoparticles having size below 50 nm are obtained by means of thermochemical transformations of the precursors Al(NO3)3 . 9H2O and Mg(HCO3)2 , and the nano-crystalline powdered matrix of Cu is obtained by chemical reduction of CuO precursor. The grinding processes applied provide homogenous distribution of secondary phases and making the structure of the copper finer, resulting in temperature stable nano-crystalline structure of powdered mixture Cu – Al2O3 – MgO.

Description

S K 288815 B6S K 288815 B6

Oblasť technikyTechnical field

Vynález patrí do oblasti práškovej metalurgie (PM) a týka sa spôsobu prípravy disperzne spevnených práškových zmesí na báze medi obsahujúcich rôzny podiel nanočastíc AI2O3 a MgO. Cieľomvynálezu je získanie teplotné stabilných práškových zmesí Cu-AhOs-MgO obsahujúcich nanokryštalickú medenú matricu, v ktorej sú rovnomerne rozptýlené jemné oxidické častice spevňujúcej fázy, a to nielen v laboratórnych podmienkach, ale aj v prevádzkových objemoch.The invention belongs to the field of powder metallurgy (PM) and relates to a process for the preparation of dispersion-strengthened copper-based powder mixtures containing different proportions of Al 2 O 3 and MgO nanoparticles. The object of the invention is to obtain temperature-stable Cu-AhOs-MgO powder mixtures containing a nanocrystalline copper matrix in which fine oxide particles of a reinforcing phase are evenly dispersed, not only under laboratory conditions but also in operating volumes.

Doterajší stav technikyPrior art

V elektrotechnickej praxi nachádzajú široké uplatnenie materiály vyznačujúce sa vysokými pevnostnými charakteristikami a vysokou elektrickou, resp. tepelnou vodivosťou aj pri zvýšených teplotách. Kombináciu týchto vlastností je však veľmi obtiažne získať pri konvenčných materiáloch, ako je čistá hrubozmná meď, tuhý roztok medi alebo precipitačne spevnená meď. Z tohto dôvodu sa do popredia dostáva výskum nanokryštahckých, disperzne spevnených zliatin na báze medi, pripravených technológiami práškovej metalurgie. Oxidicky disperzne spevnené materiály sa vyznačujú veľmi dobrou životnosťou, výbornou teplotnou stabilitou štruktúry, zlepšenou pevnosťou pri zvýšených teplotách a iba nízkou degradáciou elektrickej a tepelnej vodivosti v porovnaní s čistou meďou. Hlavnou požiadavkou na zabezpečenie mechanizmu oxidického disperzného spevňovania je homogénne rozptýlenie jemných, termodynamicky stabilných oxidov - disperzoidov do medenej matrice. Sekundárne častice s veľkosťou pod 50 nmbránia rastu zrna vplyvom tepelného zaťažovania materiálu, čím udržujú jeho pevnostné charakteristiky do vysokých teplôt. Značné zvýšenie pevnosti oproti hrubozmnej konvenčnej Cu možno docieliť prípravou medenej matrice s nanokryštahckou štruktúrou, tzn. s veľkosťou kryštalitov/zŕn pod 100 nm.In electrical engineering practice, materials characterized by high strength characteristics and high electrical, resp. thermal conductivity even at elevated temperatures. However, a combination of these properties is very difficult to obtain with conventional materials such as pure coarse copper, solid copper solution or precipitation hardened copper. For this reason, research into nanocrystalline, dispersion-strengthened copper-based alloys prepared by powder metallurgy technologies is gaining prominence. Oxidally dispersed reinforced materials are characterized by very good durability, excellent thermal stability of the structure, improved strength at elevated temperatures and only low degradation of electrical and thermal conductivity compared to pure copper. The main requirement for ensuring the mechanism of oxidic dispersion strengthening is the homogeneous dispersion of fine, thermodynamically stable oxides - dispersoids into the copper matrix. Secondary particles with a size below 50 nm prevent the growth of grain due to the thermal loading of the material, thus maintaining its strength characteristics to high temperatures. A significant increase in strength compared to coarse conventional Cu can be achieved by preparing a copper matrix with a nanocrystalline structure, ie. with a crystallite / grain size below 100 nm.

Vlastnosti práškových kompaktných materiálov, resp. výrobkov sú predurčené štruktúrou, ktorá sa vytvára na samotnom počiatku, pri vzniku práškových častíc. Od výberu vstupných fáz a zvolenej technológie prípravy závisí nastavenie podmienok na vznik prvotnej štruktúry a jej ďalšívývoj počas následného zhutňovania prášku, prebiehajúceho pri vysokých teplotách a tlakoch. Monofázové nanozmá sú výrazne nestabilné, preto majú nanomateriály výborné pevnostné vlastnosti pri teplotách okolia, ale pri zvyšovaní teploty dochádza pri nich k okamžitému hrubnutiu zrna, a tým k degradácii vlastností. Najväčšie možnosti na praktické využitie nanotechnológií otvára výskum, ktorý zabezpečí dokonalé zhutnenie materiálu bez znehodnotenia nanokryštahckej štruktúry častíc prášku. Preto je veľmi dôležité vytvoriť teplotné stabilnú štruktúru už v samotnom prášku. Z tohto hľadiska vystupujú do popredia disperzne spevnené systémy ako veľmi nádejné materiály, vhodne na použitie veľkého množstva vysokoteplotných aplikácií v elektrotechnickom, automobilovom a leteckom priemysle. Oxidmi spevnené kompozity na báze medi patria medzi materiály, ktorým je venovaná sústavnápozomosť.Properties of powder compact materials, resp. products are predetermined by the structure that is formed at the very beginning, in the formation of powder particles. Depending on the choice of input phases and the chosen preparation technology, the setting of conditions depends on the formation of the initial structure and its further development during the subsequent compaction of the powder, which takes place at high temperatures and pressures. Monophase nanozymes are significantly unstable, so nanomaterials have excellent strength properties at ambient temperatures, but as the temperature increases, they immediately coarse the grain and thus degrade the properties. The greatest possibilities for the practical use of nanotechnologies are opened by research that will ensure perfect compaction of the material without degrading the nanocrystalline structure of the powder particles. Therefore, it is very important to create a temperature stable structure already in the powder itself. From this point of view, dispersion-reinforced systems come to the fore as very promising materials, suitable for the use of a large number of high-temperature applications in the electrical, automotive and aerospace industries. Oxide-reinforced copper-based composites are among the materials to which continuous knowledge is devoted.

Podstata vynálezuThe essence of the invention

Podstatou vynálezu je originálny spôsob prípravy nanokryštahckej práškovej zmesi Cu-AhOs-MgO majúcej veľkosť kryštahtov medi v oblasti od 20 nm do 30 nm a rovnomerné rozloženie sekundárnych častíc AI2O3 a MgO s veľkosťami pod 50 nm Tento spôsob prípravy je realizovaný prostredníctvom termochemických fázových premien prekurzorov - metódou in situ a mechanického mletia takto:The subject of the invention is an original method of preparation of nanocrystalline powder mixture Cu-AhOs-MgO having copper crystal size in the range from 20 nm to 30 nm and uniform distribution of secondary particles Al2O3 and MgO with sizes below 50 nm. in situ and mechanical grinding as follows:

Prášok MgO s priemernou veľkosťou častíc pod 0,5 pm sa nasype do vody a do toho sa pod tlakom privedie plynný CO2, čím vznikne hydrogén uhličitan horečnatý Mg(HCO3)2, ktorý je v presýtenom vodnom roztoku CO2 stabilný a vo vode dobre rozpustný. Tento roztok sa prileje do práškového CuO a dôkladne sa premieša. Počas následného sušenia a 1 h žíhania pri teplote 550 °C dochádza k fázovej premene a k vzniku ultrajemnej spevňujúcej fázy MgO priamo v prášku QrO. Prášková zmes CuO-MgO je následne mletá v atritore s frekvenciou 20 Hz počas 30 min. Ďalším krokom je vytvorenie druhej spevňujúcej fázy γ-AhOj tak, že kryštalický dusičnan hlinitý A1(NO3)3.9 H2O sa rozpustí vo vode a daný roztok sa prileje do pomletého prášku CuO-MgO. Následným pridaním vodného roztoku amoniaku sa vytvoria precipitáty hydrátu oxidu hlinitého vo forme amorfného hydrogélu ako prekurzora fázy y-AhCh. Premiešaná zmes sa vysuší pri teplote 120 °C a mehe v atritore za mokra počas 30 min. Pomletá prášková zmes sa 1 h žíha v indukčnej peci pri teplote 500 °C a následne chemicky redukuje v prúde vodíka pri teplote 150 °C počas 1 h na výsledný ultrajemný systém Cu-AhCh-MgO. Záverečnou operáciou prípravy je dynamické mletie vo vibračnom mlyne s frekvenciou 30 Hz a časom mletia 12 minút na získanie homogénneho rozloženia sekundárnych častíc AI2O3 a MgO a zjemnenia štruktúry medenej matrice na nanometrickú úroveň.MgO powder with an average particle size of less than 0.5 .mu.m is poured into water and CO2 gas is introduced under pressure to form magnesium bicarbonate Mg (HCO3) 2, which is stable in a supersaturated aqueous solution of CO2 and readily soluble in water. This solution is poured into powdered CuO and mixed thoroughly. During the subsequent drying and annealing at 550 ° C for 1 hour, a phase change takes place and an ultrafine solidifying phase MgO is formed directly in the QrO powder. The CuO-MgO powder mixture is then ground in an attritor with a frequency of 20 Hz for 30 min. The next step is to form the second reinforcing phase γ-AhOj by dissolving the crystalline aluminum nitrate A1 (NO3) 3.9 H2O in water and pouring the solution into the ground CuO-MgO powder. Subsequent addition of aqueous ammonia forms precipitates of alumina hydrate in the form of an amorphous hydrogel as a precursor of the γ-AhCl 2 phase. The mixed mixture was dried at 120 ° C and stirred in a wet atrator for 30 min. The ground powder mixture was annealed in an induction furnace at 500 ° C for 1 h and then chemically reduced in a stream of hydrogen at 150 ° C for 1 h to the resulting ultrafine Cu-AhCh-MgO system. The final operation of the preparation is dynamic grinding in a vibrating mill with a frequency of 30 Hz and a grinding time of 12 minutes to obtain a homogeneous distribution of secondary particles Al2O3 and MgO and refinement of the copper matrix structure to the nanometric level.

Uvedeným spôsobom prípravy možno modifikovať objemový podiel (obj. %) sekundárnych fáz AI2O3 a MgO v závislosti od požadovaných vlastností konečného produktu, dosiahnuť vysokú teplotnú stabilituThe volume fraction (vol.%) Of secondary phases Al2O3 and MgO can be modified by the mentioned method of preparation depending on the required properties of the final product, high temperature stability can be achieved

S K 288815 B6 štruktúry nanokryštalického prášku Cu-AhCh-MgO, a to až do teplôt blízkych bodu tavenia Cu matrice a získať väčšie množstvá práškovej zmesi Cu-AhCh-MgO (poloprevádzkové, resp. prevádzkové objemy).S K 288815 B6 structure of Cu-AhCh-MgO nanocrystalline powder, up to temperatures close to the melting point of the Cu matrix and to obtain larger amounts of Cu-AhCh-MgO powder mixture (semi-operational or operating volumes).

Príklady uskutočnenia vynálezuExamples of embodiments of the invention

Príprava práškovej zmesi Cu-2 obj. % AI2O3-I obj. % MgO:Preparation of Cu-2 powder mixture vol. % AI2O3-I vol. % MgO:

5,15 g prášku MgO s priemernou veľkosťou častíc 0,5 pm sa nasype do vody a do toho sa pod tlakompriv edie plynný CO2. Pôsobením CO2 vznikne hydrogén uhličitan horečnatý Mg(HCO3)2, ktorý je v presýtenom vodnom roztoku CO2 stabilný a vo vode dobre rozpustný. Tento roztok sa prileje do 625,88 g práškového CuO a dôkladne sa premieša. Počas následného sušenia a 1 h žíhania pri teplote 550 °C dochádza k fázovej premene a k vzniku ultrajemného MgO priamo v prášku CuO. Prášková zmes CuO-MgO je následne mletá v atritore s frekvenciou 20 Hz počas 30 min. v prítomnosti oceľových guľôčok s priemerom 5 mm V pomletej zmesi CuO-MgO vzniká in situ druhá fáza y-AhO? takto: 37,93 g kryštalického dusičnanu hlinitého A1(NO3)3.9 H2O sa rozpustí vo vode, daný roztok sa prileje do prášku CuO-MgO a následným pôsobením vodného roztoku amoniaku sa vytvoria precipitáty hydrátu oxidu hlinitého vo forme amorfného hydrogélu ako prekurzora fázy y-AhCh. Premiešaná zmes je po vysušení pri teplote 120 °C mletá v atritore za mokra (v mety lalkohole) pomocou oceľových guľôčok s priemerom 5 mm po čas 30 min. s frekvenciou 20 Hz. Prášková zmes je 1 h žíhaná v indukčnej peci pri teplote 500 °C a následne chemicky redukovaná v prúde vodíka pri teplote 150 °C počas 1 h na výsledný ultrajemný systém Cu-2 obj. % AI2O3- 1 obj. %MgO. Záverečnou operáciou prípravy daného prášku je dynamické mletie vo vibračnom mlyne s guľôčkami s priemerom 7 mm, s frekvenciou 30 Hz počas 12 minút, na účely získania homogénneho rozloženia oboch sekundárnych fáz a zjemnenia štruktúry medenej matrice.5.15 g of MgO powder with an average particle size of 0.5 .mu.m are poured into water and CO2 gas is introduced under pressure. The action of CO2 produces magnesium bicarbonate Mg (HCO3) 2, which is stable in a supersaturated aqueous solution of CO2 and readily soluble in water. This solution is poured into 625.88 g of powdered CuO and mixed thoroughly. During the subsequent drying and annealing at 550 ° C for 1 h, a phase change and ultrafine MgO are formed directly in the CuO powder. The CuO-MgO powder mixture is then ground in an attritor with a frequency of 20 Hz for 30 min. in the presence of steel balls with a diameter of 5 mm In the ground CuO-MgO mixture, a second phase of γ-AhO is formed in situ? as follows: 37.93 g of crystalline aluminum nitrate A1 (NO3) 3.9 H2O is dissolved in water, the solution is poured into CuO-MgO powder and subsequent treatment with aqueous ammonia forms precipitates of aluminum oxide hydrate in the form of an amorphous hydrogel as a precursor of AhCh. After drying at 120 ° C, the mixed mixture is wet-milled in a trap (in methyl alcohol) using 5 mm diameter steel balls for 30 minutes. with a frequency of 20 Hz. The powder mixture is annealed in an induction furnace at 500 ° C for 1 h and then chemically reduced in a stream of hydrogen at 150 ° C for 1 h to the resulting ultrafine Cu-2 vol. % AI2O3- 1 vol. % MgO. The final operation of the preparation of the given powder is dynamic grinding in a vibrating mill with balls with a diameter of 7 mm, with a frequency of 30 Hz for 12 minutes, in order to obtain a homogeneous distribution of both secondary phases and refinement of the copper matrix structure.

Priemyselná využiteľnosťIndustrial applicability

Oxidicky disperzne spevnené materiály na báze nanokryštahckej medi možno použiť na výrobu veľkého množstva vysokoteplotných aplikácií v elektrotechnickom priemysle, napr. na výrobu elektrických kontaktov a vodičov, kefiek motorov, ako aj na elektródy na bodové odporové zváranie, pretože takýto kompozit sa vyznačuje veľmi dobrou životnosťou materiálu, výbornou teplotnou stabilitou štruktúry, zlepšenou pevnosťou pri zvýšených teplotách a iba nízkou degradáciou elektrickej a tepelnej vodivosti v porovnaní s čistou meďou.Oxidally dispersed reinforced materials based on nanocrystalline copper can be used for the production of a large number of high temperature applications in the electrical industry, e.g. for the production of electrical contacts and conductors, motor brushes, as well as electrodes for spot resistance welding, because such a composite is characterized by very good material life, excellent thermal stability of the structure, improved strength at elevated temperatures and only low degradation of electrical and thermal conductivity compared to pure copper.

Claims (1)

S K 288815 B6S K 288815 B6 PATENTOVÉ NÁROKYPATENT CLAIMS Spôsob prípravy nanokiyštalickej práškovej zmesi Cu obsahujúcej súčasne nanočastice AI2O3 a MgO, vyznačujúci sa tým, že prášok CuO sa dôkladne premieša s vodným roztokom Mg(HCO3)2, 5 potom sa vysuší, prášková zmes sa žíha na vzduchu 1 hodinu pri teplote 550 °C a melie, pomletá zmes sa zmieša s vodným roztokom Α1(Νθ3)3.9Η2θ a následne s vodným roztokom amoniaku, vysuší sa pri teplote 120 °C, pomelie a žíha 1 hodinu na vzduchu pri teplote 500 °C, CuO sa chemicky vyredukuje v prúde vodíka pri teplote 150 °C a zmes sa následne pomelie na získanie teplotné stabilného prášku Cu-AhOs-MgO majúceho veľkosť kiyštalitov medi v oblasti od 20 nm do 30 nm a rovnomerné rozloženie sekundárnych častíc 10 AI2O3 a MgO s veľkosťami <50 nm.Process for the preparation of a nanocrystalline Cu powder mixture containing simultaneously Al 2 O 3 and MgO nanoparticles, characterized in that the CuO powder is thoroughly mixed with an aqueous solution of Mg (HCO 3) 2, 5 then dried, the powder mixture is annealed in air for 1 hour at 550 ° C and ground, the ground mixture is mixed with aqueous solution of Α1 (Νθ3) 3.9Η2θ and then with aqueous ammonia solution, dried at 120 ° C, ground and annealed in air at 500 ° C for 1 hour, CuO is chemically reduced in a stream of hydrogen at 150 ° C and the mixture is then ground to obtain a temperature stable Cu-AhOs-MgO powder having a copper crystallite size in the range of 20 nm to 30 nm and a uniform distribution of 10 Al 2 O 3 and MgO secondary particles with sizes <50 nm. 15 __________________________15 __________________________ Koniec dokumentuEnd of document
SK1012018A 2018-09-17 2018-09-17 Method for preparation of nano-crystalline powder mixture Cu – Al2O3 – MgO SK288815B6 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SK1012018A SK288815B6 (en) 2018-09-17 2018-09-17 Method for preparation of nano-crystalline powder mixture Cu – Al2O3 – MgO

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SK1012018A SK288815B6 (en) 2018-09-17 2018-09-17 Method for preparation of nano-crystalline powder mixture Cu – Al2O3 – MgO

Publications (2)

Publication Number Publication Date
SK1012018A3 SK1012018A3 (en) 2020-04-02
SK288815B6 true SK288815B6 (en) 2021-01-13

Family

ID=69957706

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SK1012018A SK288815B6 (en) 2018-09-17 2018-09-17 Method for preparation of nano-crystalline powder mixture Cu – Al2O3 – MgO

Country Status (1)

Country Link
SK (1) SK288815B6 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023211720A1 (en) * 2022-04-25 2023-11-02 Basf Corporation Catalyst compositions and methods of preparation and use thereof

Also Published As

Publication number Publication date
SK1012018A3 (en) 2020-04-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhou et al. Microstructure and properties of fine grained W–15 wt.% Cu composite sintered by microwave from the sol–gel prepared powders
US11858047B2 (en) Preparation method of metal powder material
SK292013A3 (en) Composite material with homogenous distribution of carbon nano-tubes and a method for production thereof
Dong et al. The synthesis of composite powder precursors via chemical processes for the sintering of oxide dispersion-strengthened alloys
CN111940750B (en) Preparation method of alloy powder material
Song et al. Preparation and characterization of Mo-15 Cu superfine powders by a gelatification-reduction process
US9309119B2 (en) Producing method of metal fine particles or metal oxide fine particles, metal fine particles or metal oxide fine particles, and metal-containing paste, and metal film or metal oxide film
Chang et al. Electroless silver plating of oxide particles in aqueous solution
Ding et al. In situ formation of Cu–ZrO2 composites by chemical routes
Zhuang et al. Fabrication of gel cast BN/Si3N4 composite ceramics from surface-coated BN powder
FR2649973A1 (en) PROCESS FOR THE PREPARATION OF COMPOSITE CERAMIC POWDERS AND POWDERS OBTAINED BY THE PROCESS
SK288815B6 (en) Method for preparation of nano-crystalline powder mixture Cu – Al2O3 – MgO
Yu et al. Coating of Y2O3 additive on Al2O3 powder and its effect on the wetting behaviour in the system Al2O3p/Al
Khorrami et al. PREPARATION OF γ-Al 2 O 3 NANOCRYSTALLITES BY SOL-GEL AUTO COMBUSTION PROCESS AND PRODUCTION OF Al-Al 2 O 3 ALUMINUM MATRIX COMPOSITES.
Guo et al. Field-assisted solid phase sintering of W-20 wt.% Cu nanocomposites prepared by co-precipitation method
Zeng et al. The formation mechanisms of porous silicon prepared from dense silicon monoxide
Jo et al. Synthesis of Y2O3-dispersed W powders prepared by ultrasonic spray pyrolysis and polymer solution route
Liu et al. Fabrication of W@ Cu composite powders by direct electroless plating using a dripping method
Zhao et al. Mechanical behavior and microstructure of 3D-printed carbon nanotubes-reinforced Cu composite
Li et al. Preparation and characterization of Mo-Cu nanocomposite powders by chemical liquid reduction process
JPH0379401B2 (en)
Maeda et al. Metal-metal bonding properties of copper oxide nanoparticles
KR20070005992A (en) Manufacturing method of metal fine particles-feedstock for powder injection molding
Anđić et al. Synthesis and characterization of dispersion reinforced sintered system based on ultra-fine and nanocomposite Cu-Al2O3 powders
Kamberovic et al. Nanotechnology Workshop: Synthesis and Characterization of Ultrafine and Nanostructured Copper-Alumina Composite Materials