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一種納米TiC<sub>0.5</sub>顆粒原位增強(qiáng)Cu(Al)復(fù)合材料及其制備方法

文檔序號(hào):3416072閱讀:172來(lái)源:國(guó)知局
專(zhuān)利名稱:一種納米TiC<sub>0.5</sub>顆粒原位增強(qiáng)Cu(Al)復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種納米TiCa5顆粒原位增強(qiáng)Cu(Al)復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)
由一種或幾種陶瓷相增強(qiáng)銅或銅合金所組成的復(fù)合材料,既有銅的良好導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性、高的強(qiáng)度和韌性,又具有陶瓷的耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等特性,在電工、化工、交通、機(jī)械等領(lǐng)域有廣泛的用途,被廣泛應(yīng)用到電觸頭、電器開(kāi)關(guān)、熱交換器等領(lǐng)域。然而,銅與大多數(shù)陶瓷之間的界面潤(rùn)濕性較差,使得陶瓷增強(qiáng)Cu基復(fù)合材料的制備比較困難。近年來(lái),納米顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料,使其達(dá)到優(yōu)異的力學(xué)、摩擦學(xué)特性,引起廣泛關(guān)注。然而,將增強(qiáng)相顆粒直接加到銅基體中的傳統(tǒng)制備方法,增強(qiáng)相顆粒往往不能均勻分散在銅基體中,且成本較高。因此,既能與銅有強(qiáng)的界面結(jié)合,又具有納米顆粒增強(qiáng)效果, 并且制備過(guò)程經(jīng)濟(jì)的材料是研究者們所一直追求的。近年來(lái),三元層狀陶瓷材料Ti2AlC受到了材料科學(xué)工作者的廣泛重視。它兼具金屬和陶瓷的優(yōu)點(diǎn),如像金屬一樣具有好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性,相對(duì)較軟、抗熱震,高溫下表現(xiàn)為塑性;像陶瓷一樣,有良好的抗氧化性,耐腐蝕,高溫下能保持較高的強(qiáng)度。Ti2AlC的晶體結(jié)構(gòu)最早由Jeitschko和Nowotny測(cè)定,其晶體結(jié)構(gòu)為六方晶系,空間群為P63/mmc,晶格參數(shù)為a = 0. 307nm, c = 1. 769nm,理論密度為4. llg/cm3。緊密堆積的Ti八面體層被一平面層Al原子所分隔,Ti八面體中心為碳原子,且每?jī)蓪泳陀幸粚覣l原子層,過(guò)渡金屬原子Ti 與C原子之間形成八面體,C原子位于八面體的中心,Ti原子和C原子之間的結(jié)合為強(qiáng)共價(jià)鍵;而Ti原子和Al族平面之間為弱結(jié)合,因此,垂直于c軸的層與層之間在剪應(yīng)力的作用下容易發(fā)生滑動(dòng)。(參考文獻(xiàn) Jeitschko W, Nowotny H et al. Monatash Chem. 1963,94 672)。如此特殊的結(jié)構(gòu)使研究者想到,如果Ti2AlC與Cu復(fù)合,由于Cu與Al的強(qiáng)固溶力,很有可能破壞Ti2AlC中較弱結(jié)合的Al原子層,使其溶出而進(jìn)入Cu溶液中。這樣,Ti2AlC顆粒將被分解而形成超細(xì)顆粒增強(qiáng)Cu基材料,這也正是研究者所要追求的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種以Ti2AlC粉和純銅粉為原料制成的納米TiCa5顆粒原位增強(qiáng)Cu (Al)復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)是,現(xiàn)有的陶瓷顆粒與銅的界面結(jié)合弱,顆粒尺度大的問(wèn)題。本發(fā)明的技術(shù)方案本發(fā)明的納米TiCa5顆粒原位增強(qiáng)Cu(Al)復(fù)合材料,其成分如下TiC0.5 0. 37 25. 22wt %,Cu 68. 46 99. 54wt %,Al 0. 09 6. 32wt%。本發(fā)明的納米TiCa5顆粒原位增強(qiáng)Cu(Al)復(fù)合材料,其顯微結(jié)構(gòu)如下
原料的Ti2AlC顆粒分解,Al溶出進(jìn)入Cu中,形成Cu (Al)合金。Ti2AlC分解形成 50 150nm的TiCa 5顆粒,均勻增強(qiáng)Cu(Al)合金復(fù)合材料。本發(fā)明的納米TiCa5顆粒原位增強(qiáng)Cu(Al)復(fù)合材料,其力學(xué)性能和電學(xué)性能如下抗壓縮強(qiáng)度170 860MPa,最大變形率8 37%,電導(dǎo)率9 62% IACS。本發(fā)明的納米TiCa5顆粒原位增強(qiáng)Cu(Al)復(fù)合材料的制備方法,包括以下各步驟步驟一配料將Ti2AlC粉和純銅(Cu)粉按以下比例配料Ti2AlC 0. 46 31. 54wt. %,Cu 68. 46 99. 54wt. % ;步驟二混料每100克上述配料中加入70 120毫升的無(wú)水乙醇和200 400克的瑪瑙球,球磨2 4小時(shí),在烘箱中60 70°C烘干,將烘干的混合原料研碎,過(guò)80 200目篩;步驟三冷壓成型將上述混料后的原料在140 ISOMPa壓強(qiáng)下壓制成任何形狀的坯體;步驟四燒結(jié)將上述冷壓成型的坯體放入高溫爐,在氬氣保護(hù)下,按10 40°C /min的升溫速率,將爐溫升至1100 1180°C,保溫20 30min,以10 15°C /min的速率冷卻,即得到本發(fā)明的納米TiCa5顆粒原位增強(qiáng)Cu(Al)復(fù)合材料。本發(fā)明所具有的有益效果本發(fā)明的納米TiCa 5顆粒原位增強(qiáng)Cu (Al)復(fù)合材料,其強(qiáng)度和電導(dǎo)率大大高于單相的Ti2AlC材料,也高于普通的銅合金材料。其強(qiáng)度、最大變形率和電導(dǎo)率依Ti2AlC和銅的原料配比而不同;Ti2AlC的比例越大所制成的納米TiCa5顆粒原位增強(qiáng)Cu(Al)復(fù)合材料的抗壓縮強(qiáng)度越大而最大變形率和電導(dǎo)率越小。對(duì)于本發(fā)明的納米TiCa5顆粒原位增強(qiáng) Cu(Al)復(fù)合材料的應(yīng)用,可根據(jù)實(shí)際的使用要求選取適當(dāng)?shù)腡i2AlC和銅的原料配比。本發(fā)明的納米TiCa 5顆粒原位增強(qiáng)Cu (Al)復(fù)合材料的制備方法,其主要的好處在于配方和制備工藝簡(jiǎn)單;按本發(fā)明的實(shí)施步驟,在燒結(jié)過(guò)程中Ti2AlC中的Al被溶出,Ti2AlC 分解,層狀結(jié)構(gòu)被破壞,形成50 150nm的TiCa5顆粒增強(qiáng)Cu(Al)合金的顯微結(jié)構(gòu),而這種特殊的原位納米顆粒增強(qiáng)方式使得所制得的納米TiCa5與Cu(Al)合金之間有很好的界面結(jié)合強(qiáng)度,這也是所制成的復(fù)合材料具有較高強(qiáng)度、較大的變形率和較高的電導(dǎo)率的基本原因。 本發(fā)明和發(fā)明名稱“一種Ti3C2/Cu-Al金屬材料及其制備方法”,專(zhuān)利號(hào)為 21^200510012150.5的發(fā)明專(zhuān)利相比,本發(fā)明的納米1101.5顆粒原位增強(qiáng)01仏1)復(fù)合材料其增強(qiáng)相不同,增強(qiáng)相顯微結(jié)構(gòu)形態(tài)不同。本發(fā)明的增強(qiáng)相TiCa5與Cu(Al)之間比Ti3C2與 Cu(Al)之間具有更好的界面潤(rùn)濕性和界面結(jié)合強(qiáng)度,因而具有更高的電導(dǎo)率和壓縮強(qiáng)度; 同時(shí)均勻的納米顆粒增強(qiáng)比Ti3C2/Cu(Al)金屬陶瓷中長(zhǎng)板狀顆粒具有更大的變形率。因此本發(fā)明更適用于需要較高強(qiáng)度和電導(dǎo)率,同時(shí)需要有較大變形率的領(lǐng)域。本發(fā)明的納米TiCa 5顆粒原位增強(qiáng)Cu (Al)復(fù)合材料可廣泛用于機(jī)械、電工、交通、 化工等領(lǐng)域,例如用于制造各種高性能的滾輪、集電環(huán)、電阻焊頭、各種大功率開(kāi)關(guān)或接觸器的觸頭、滑塊等。本發(fā)明的納米TiCa 5顆粒原位增強(qiáng)Cu (Al)復(fù)合材料在常壓下燒結(jié)就能獲得,很適合大尺寸的或復(fù)雜形狀的器件的工業(yè)化生產(chǎn)。


圖1和圖2是本發(fā)明的不同含量納米TiCa5顆粒原位增強(qiáng)Cu(Al)復(fù)合材料顯微結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。
具體實(shí)施例方式實(shí)施方式一步驟一配料稱取純度為98. 5%的Ti2AlC粉0. 74克、純度為99. 9%的Cu粉159. 00克。步驟二混料將步驟一的配料混合,加入110毫升無(wú)水乙醇和320克瑪瑙球,球磨混料2小時(shí), 以60°C烘干、將烘干的混合原料研碎、過(guò)100目篩。步驟三冷壓成型將步驟二的混合原料在140MPa壓強(qiáng)下,冷壓成條形坯體。步驟四燒結(jié)將步驟三制備的條形坯體放入高溫爐中的石墨模具中,在氬氣保護(hù)下,以40°C / min的速率升溫至1100°C,保溫20min,以10°C /min的速率將爐溫降至60°C,即得到本發(fā)明的納米TiCa5顆粒原位增強(qiáng)Cu(Al)復(fù)合材料;其中TiCa5的含量約為0. 59克,其余為Cu 和Al (Cu含量為159. 00克,Al含量約為0. 15克)。將上述的納米TiCO. 5顆粒原位增強(qiáng)Cu (Al)復(fù)合材料,加工成Φ IOmmX 30mm的試樣,進(jìn)行抗壓縮強(qiáng)度測(cè)試;測(cè)得的壓縮強(qiáng)度為173. 30MPa,最大變形率為36. 5%,導(dǎo)電率為 61. 8% IACS0實(shí)施方式二步驟一配料稱取純度為99. 0%的Ti2AlC粉2. 96克、純度為99. 9%的Cu粉25. 64克。步驟二混料將步驟一的配料混合,加入20毫升無(wú)水乙醇和60克瑪瑙球,球磨混料2小時(shí),以 60°C烘干、將烘干的混合原料研碎、過(guò)80目篩。步驟三冷壓成型將步驟二的混合原料在160MPa壓強(qiáng)下,冷壓成條形坯體。步驟四燒結(jié)將步驟三制備的條形坯體放入高溫爐中的石墨模具中,在氬氣保護(hù)下,以30°C / min的速率升溫至1130°C,保溫20min,以10°C /min的速率將爐溫降至60°C,即得到本發(fā)明的納米TiCa5顆粒原位增強(qiáng)Cu(Al)復(fù)合材料;其中TiCa5的含量約為2. 37克,其余為Cu 和Al (Cu含量為25. 64克,Al含量約為0. 59克)。將上述的納米TiCa5顆粒原位增強(qiáng)Cu(Al)復(fù)合材料,加工成Φ IOmmX 30mm的試樣,進(jìn)行抗壓縮強(qiáng)度測(cè)試;測(cè)得的壓縮強(qiáng)度為332. 40MPa,最大變形率為觀.6%,電導(dǎo)率為 47. 1% IACS0實(shí)施方式三步驟一配料稱取純度為99. 0%的Ti2AlC粉4. 44克、純度為99. 9%的Cu粉22. 43克。步驟二混料將步驟一的配料混合,加入20毫升無(wú)水乙醇和60克瑪瑙球,球磨混料3小時(shí),以 70°C烘干、將烘干的混合原料研碎、過(guò)110目篩。步驟三冷壓成型將步驟二的混合原料在160MPa壓強(qiáng)下,冷壓成條形坯體。步驟四燒結(jié)將步驟三制備的條形坯體放入高溫爐中的石墨模具中,在氬氣保護(hù)下,以30°C / min的速率升溫至1150°C,保溫30min,以15°C /min的速率將爐溫降至60°C,即得到本發(fā)明的納米TiCa5顆粒原位增強(qiáng)Cu(Al)復(fù)合材料;其中TiCa5的含量約為3. 55克,其余為Cu 和Al (Cu含量為22. 43克,Al含量約為0. 89克)。將上述的納米TiCa5顆粒原位增強(qiáng)Cu(Al)復(fù)合材料,加工成Φ IOmmX 30mm的試樣,進(jìn)行抗壓縮強(qiáng)度測(cè)試;測(cè)得的壓縮強(qiáng)度為587. 65MPa,最大變形率為18. 18%,導(dǎo)電率為 24. 2% IACS。實(shí)施方式四步驟一配料稱取純度為99. 2%的Ti2AlC粉5. 92克、純度為99. 9%的Cu粉19. 22克。步驟二混料將步驟一的配料混合,加入30毫升無(wú)水乙醇和100克瑪瑙球,球磨混料3小時(shí),以 70°C烘干、將烘干的混合原料研碎、過(guò)180目篩。步驟三冷壓成型將步驟二的混合原料在ISOMPa壓強(qiáng)下,冷壓成條形坯體。步驟四燒結(jié)將步驟三制備的條形坯體放入高溫爐中的石墨模具中,在氬氣保護(hù)下,以30°C / min的速率升溫至1160°C,保溫30min,以15°C /min的速率將爐溫降至60°C,即得到本發(fā)明的納米TiCa5顆粒原位增強(qiáng)Cu(Al)復(fù)合材料;其中TiCa5的含量約為4. 73克,其余為Cu 和Al (Cu含量為19. 22克,Al含量約為1. 19克)。將上述的納米TiCa5顆粒原位增強(qiáng)Cu(Al)復(fù)合材料,加工成Φ IOmmX 30mm的試樣,進(jìn)行抗壓縮強(qiáng)度測(cè)試;測(cè)得的壓縮強(qiáng)度為773. 85MPa,最大變形率為8. 62 %,導(dǎo)電率為 12. 1% IACS0實(shí)施方式五步驟一配料
稱取純度為99. 2%的Ti2AlC粉7. 57克、純度為99. 9%的Cu粉16. 43克。步驟二混料將步驟一的配料混合,加入20毫升無(wú)水乙醇和60克瑪瑙球,球磨混料4小時(shí),以 70°C烘干、將烘干的混合原料研碎、過(guò)200目篩。步驟三冷壓成型將步驟二的混合原料在ISOMPa壓強(qiáng)下,冷壓成條形坯體。步驟四燒結(jié)將步驟三制備的條形坯體放入高溫爐中的石墨模具中,在氬氣保護(hù)下,以30°C / min的速率升溫至1180°C,保溫30min,以15°C /min的速率將爐溫降至60°C,即得到本發(fā)明的納米TiCa5顆粒原位增強(qiáng)Cu(Al)復(fù)合材料;其中TiCa5的含量約為6. 05克,其余為Cu 和Al (Cu含量為16. 43克,Al含量約為1. 52克)。將上述的納米TiCa5顆粒原位增強(qiáng)Cu(Al)復(fù)合材料,加工成Φ IOmmX 30mm的試樣,進(jìn)行抗壓縮強(qiáng)度測(cè)試;測(cè)得的壓縮強(qiáng)度為859. 67MPa,最大變形率為4. 73%,導(dǎo)電率為 9. 8% IACS。
權(quán)利要求
1.一種納米TiCa5顆粒原位增強(qiáng)Cu (Al)復(fù)合材料,其特征在于,其成分如下 TiC0 5 0. 37 25. 22wt%,Cu 68. 46 99. 54wt%, Al 0. 09 6. 32wt%,納米TiCa5顆粒原位增強(qiáng)Cu(Al)復(fù)合材料,其顯微結(jié)構(gòu)如下 原料的Ti2AlC顆粒分解,Al溶出進(jìn)入Cu中,形成Cu(Al)合金;Ti2AlC分解形成50 150nm的TiCa 5顆粒,均勻增強(qiáng)Cu(Al)合金復(fù)合材料。
2.—種納米TiCa5顆粒原位增強(qiáng)Cu (Al)復(fù)合材料的制備方法,其特征在于,該方法包括以下步驟步驟一配料將Ti2AlC粉和純銅粉按以下比例配料 Ti2AlC 0. 46 31. 54wt. %, Cu 68. 46 99. 54wt. % ;步驟二混料每100克上述配料中加入70 120毫升的無(wú)水乙醇和200 400克的瑪瑙球,球磨 2 4小時(shí),在烘箱中60 70°C烘干,將烘干的混合原料研碎,過(guò)80 200目篩;步驟三冷壓成型將上述混料后的原料在140 lSOMI^a壓強(qiáng)下壓制成任何形狀的坯體; 步驟四燒結(jié)將上述冷壓成型的坯體放入高溫爐,在氬氣保護(hù)下,按10 40°C /min的升溫速率,將爐溫升至1100 1180°C,保溫20 30min,以10 15°C /min的速率冷卻,即得到本發(fā)明的納米TiCa5顆粒原位增強(qiáng)Cu(Al)復(fù)合材料。
全文摘要
一種納米TiC0.5顆粒原位增強(qiáng)Cu(Al)復(fù)合材料及其制備方法,該材料中TiC0.5=0.37~25.22wt%,Cu=68.46~99.54wt%,Al=0.09~6.32wt%。該材料的制備方法,是將Ti2AlC粉和純銅粉按Ti2AlC=0.46~31.54wt%、Cu=68.46~99.54wt%的比例配料;球磨混料,干燥,140~180MPa冷壓成形;1100~1180℃常壓燒結(jié),氬氣保護(hù),保溫20~30min;即得本發(fā)明的納米TiC0.5顆粒原位增強(qiáng)Cu(Al)復(fù)合材料。該材料具有高的壓縮強(qiáng)度,同時(shí)具有較大變形率和較高電導(dǎo)率,因而可廣泛用于制造機(jī)械、電工、化工、運(yùn)載工具的關(guān)鍵器件。
文檔編號(hào)C22C1/05GK102260803SQ20111019818
公開(kāi)日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2011年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月15日
發(fā)明者李萌啟, 翟洪祥, 黃振鶯 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)
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