專利名稱：一種Cu-Ti₂ AlC功能梯度材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于梯度復合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種利用真空熱壓技術(shù)來制備致密金屬/陶瓷功能梯度材料的方法，尤其涉及一種Cu-Ti2AlC功能梯度材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
目前，工業(yè)上常用的導電功能材料有銀基復合材料，但銀金屬作為一種昂貴的稀有金屬，消耗量逐年增加，據(jù)2011年美國GFMS為世界白銀協(xié)會編制的報告中指出，僅電氣和電子行業(yè)對白銀的需求就有7555.21噸。所以，減少銀金屬的消耗是一項很重要的任務(wù)，由于Cu的高導電性，業(yè)界一般尋求以Cu作為Ag的代替。銅作為一種導電、導熱功能材料被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，但銅的強度、硬度較低，耐熱性、耐磨性差，高溫下易氧化和軟化變形，而隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，對Cu金屬材料的要求也越來越高，希望Cu既具有高導電、導熱性和低溫延展性，又具有高強度、耐高溫氧化性能以及良好的耐磨損性能。純銅及銅合金在高導電率和高強度方面難以兼顧，也難以滿足更高的性能要求，如受電弓滑板，作為動車組與電力網(wǎng)之間能源聯(lián)系的關(guān)鍵性電接觸部件，其特定的工作狀態(tài)要求它能夠在與電力網(wǎng)接觸導線作弧形高速接觸摩擦運動中保持向牽引電機傳輸150—200A的穩(wěn)定電流。同時由于承受與接觸導線的滑動摩擦、電接觸熱應(yīng)力和機械接觸應(yīng)力，特別是運行過程中不可避免的受電弓瞬間離線而引起的25KV超高壓電弧灼蝕，及雨雪霜露等水分環(huán)境的腐蝕，受電弓滑板與接觸導線的滑動磨損加劇，瞬時離線次數(shù)增加，電弧灼蝕和接觸熱應(yīng)力造成的損傷也變得更加嚴重。在如此嚴酷的力、磨、電、蝕共同作用下，要求受電弓滑板材料具有優(yōu)良的導電性、抗摩擦性、抗腐蝕性、抗沖擊韌性和較長的工作壽命[1]，而Cu基功能梯度材料的出現(xiàn)，使得這個問題得到一定解決。功能梯度材料作為一種新型的功能材料，其最初概念是在20世紀80年代由日本學者渡邊龍三、新野正之等為解決航天飛行器中過大溫差而引起的熱應(yīng)力問題而提出的。航空發(fā)動機在高溫情況下由于其內(nèi)外熱膨脹系數(shù)的不同會在界面處產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，引起剝離，而金屬/陶瓷梯度材料由于其成分隨厚度連續(xù)變化，所以相鄰層之間性能相似，不存在明顯界面，其性能呈連續(xù)變化，熱應(yīng)力得到很大緩和。當使用條件下的兩側(cè)具有不同的溫度時，均質(zhì)復合材料由于兩側(cè)溫度的不同會造成溫度較高的一面膨脹較大，而溫度較低的一面膨脹較小，這樣會由于膨脹的差異造成較大熱應(yīng)力，隨著工作的時間延長或次數(shù)的增加，形成熱應(yīng)力疲勞，可能會導致裂紋的形成，從而使材料失效。為解決這種情況，通常的做法是是用鍍膜或非均質(zhì)復合材料，但這樣同樣會由于兩種成分物理化學等性能的不同而造成結(jié)合力上的缺陷，當材料工作一段時間后，鍍膜與基體及兩種材料結(jié)合面可能會最先失效，影響材料的整體性能。而梯度材料即解決了由于內(nèi)外溫差而造成的熱應(yīng)力問題又解決了由于潤濕性、結(jié)構(gòu)等造成的材料結(jié)合問題。制備功能梯度材料的方法較多，如放電等離子燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、電沉積、氣相沉積和自蔓延高溫合成法等。如今，功能梯度材料的應(yīng)用也不再局限于航空航天等方面，已在生物醫(yī)藥、機械化工、核物理、光學電子等方面的有了很大發(fā)展。目前，Cu基功能梯度材料主要以Cu和另一種金屬材料制成，如Cu-Mo、Cu-W系列功能梯度材料等。通過引入適當?shù)脑鰪娤鄰秃蠌娀绞胶铣傻腃u基復合材料作為基體，將兩種不同的材料通過疊層燒結(jié)得到功能梯度材料，使得材料既具備高的機械強度和良好的韌性，又具有良好的摩擦學性能和導電性，作為電力機車從接觸網(wǎng)線導入電能的滑板材料具有很好的應(yīng)用背景[2’3]。Ti2AlC作為一種新型的可加工三元層狀陶瓷，兼具金屬和陶瓷的特點，為六方晶系，具有層狀結(jié)構(gòu)，理論密度4.11 g/cm3，熱膨脹系數(shù)為8.3X10_6，綜合了金屬和陶瓷的優(yōu)異性能，它既具有陶瓷的特性，包括高熔點、高強度、高耐腐蝕性和抗氧化性，同時有具有金屬的一部分特性，具有良好的導電性，一定的導熱性和可加工性，同時由于它的層狀結(jié)構(gòu)，其還具有自潤滑性[4，5]。本發(fā)明是將Cu與Ti2AlC這兩種材料通過熱壓燒結(jié)制備成功能梯度復合材料，使其綜合金屬材料和陶瓷材料各自的優(yōu)異性能，克服銅的耐腐蝕、耐高溫性能差，抗燒蝕性差，Ti2AlC陶瓷材料的脆性和可靠性差等缺點，兼具Ti2AlC高的熱穩(wěn)定性、良好的抗氧化性、自潤滑性以及高熔點和Cu的高導電、導熱和高韌性。同時，由于作為功能梯度材料，這兩種材料之間的結(jié)合面呈逐漸過渡，面與面之間的成分變化較小，有效降低了兩側(cè)之間的熱應(yīng)力大大減小，減小了材料在使用過程中由于熱應(yīng)力不匹配而造成裂紋產(chǎn)生的幾率，延長了材料使用壽命。目前，現(xiàn)有技術(shù)還沒有將Cu與Ti2AlC這兩種材料通過熱壓燒結(jié)制備成功能梯度復合材料的文獻報道。

發(fā)明內(nèi)容
通過研究本發(fā)明人意外地發(fā)現(xiàn)，將Cu與Ti2AlC通過熱壓燒結(jié)制備成梯度復合材料后，該復合材料不僅有利于緩和熱應(yīng)力導致的裂紋及裂紋導致的擴展，且制備的材料結(jié)構(gòu)致密，缺陷少，層與層之間結(jié)合良好，沒有明顯的界面，即能保證具有良好的使用性能，又滿足材料的結(jié)構(gòu)要求。因此，本發(fā)明的目的在于提供一種使用壽命較長的Cu-Ti2AlC功能梯度材料及其制備方法。`本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
一種Cu-Ti2AlC功能梯度材料，以Cu和Ti2AlC為原料配制成梯度分布層后燒結(jié)而成，沿所述梯度分布層的厚度方向，Ti2AlC原料的體積分數(shù)由(Γ5%逐漸增加到6(Γ100%。一種所述Cu-Ti2AlC功能梯度材料的制備方法，以Cu粉末和Ti2AlC粉末為原料，按比例分別稱取后通過機械球磨混合均勻，逐層裝入石墨磨具中形成梯度分布層，在真空或Ar氣氛下，采用熱壓燒結(jié)而成，燒結(jié)溫度為80(Tl000°C，升溫速率為8 20°C /min,壓力為20 40MPa，保溫 0.5 3h。上述Cu- Ti2AlC功能梯度材料的制備方法，其中所述Ti2AlC粉末的粒度為3 20微米，Cu粉末的粒度范圍為325目 600目。上述Cu- Ti2AlC功能梯度材料的制備方法，其中所述的機械球磨混合是在酒精介質(zhì)中進行，時間為4 12h。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明涉及的Cu-Ti2AlC功能梯度材料及其制備方法具有如下優(yōu)點和顯著的進步:
(I)本發(fā)明制備的Cu-Ti2Aic功能梯度材料一端為純Cu或Ti2AlC/Cu復合材料，具有優(yōu)異的抗熱震性、導電、導熱性、韌性，另一端為Ti2AlC/Cu復合材料或純Ti2AlC,具有很高的熔點、強度以及抗磨損性能和抗氧化性能，克服了銅的不耐腐蝕、不耐高溫，抗燒蝕性差的問題，同時避免了 Ti2AlC陶瓷材料的脆性和可靠性差等缺點。(2)本發(fā)明制備的Cu-Ti2AlC功能梯度材料，沿厚度方向材料硬度、強度等各方面性能都呈梯度變化，面與面之間的成分變化較小，有效降低了兩側(cè)之間的熱應(yīng)力大大減小，減小了材料在使用過程中由于熱應(yīng)力不匹配而造成裂紋產(chǎn)生的幾率，延長了材料使用壽命O


圖1為實施例1制備的Cu-Ti2AlC功能梯度材料中的各梯度層硬度曲線圖。圖2為實施例1制備的Cu-Ti2AlC功能梯度材料中各梯度層導電率曲線圖。圖3為實施例2制備的Cu-Ti2AlC功能梯度材料中的富Ti2AlC層摩擦系數(shù)隨時間的變化曲線圖。
具體實施例方式本發(fā)明制備的材料一端為純Cu或Ti2AlC/Cu復合材料，具有優(yōu)異的抗熱震性、導電、導熱性、韌性。另一端為Ti2AlC/Cu復合材料或純Ti2AlC,具有很高的熔點、強度以及抗磨損性能和抗氧化性能。

本發(fā)明的關(guān)鍵在于中間為f 4層，沿厚度方向材料硬度、強度等各方面性能都呈梯度變化，各層之間結(jié)合良好，沒有明顯界面，顯著降低熱應(yīng)力以及出現(xiàn)層間斷裂的可能性。制備方法是以Cu與Ti2AlC為原料，均勻混合后采用熱壓燒結(jié)法疊層壓制燒結(jié)。燒結(jié)溫度控制在80(Tl000°C，升溫速率為8 20°C /min，壓力為2(T40MPa，保溫時間為0.5 3小時。本發(fā)明所制備的梯度材料致密度高，性能優(yōu)異，能夠滿足不同環(huán)境的使用要求。本發(fā)明的優(yōu)點在于組分、結(jié)構(gòu)呈梯度變化，不但有利于緩和熱應(yīng)力導致的裂紋及裂紋導致的擴展，且制備的材料結(jié)構(gòu)致密，缺陷少，層與層之間結(jié)合良好，沒有明顯的界面，即能保證具有良好的使用性能，又滿足材料的結(jié)構(gòu)要求。以下是本發(fā)明的具體實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步作描述，但是本發(fā)明的保護范圍并不限于這些實施例。凡是不背離本發(fā)明構(gòu)思的改變或等同替代均包括在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。實施例1
以4層梯度變化為例，Cu和Ti2AlC的總體積按100%計算，梯度分布層中Cu和Ti2AlC的體積分數(shù)如表1:
權(quán)利要求
1.一種Cu-Ti2AlC功能梯度材料，其特征在于:以Cu和Ti2AlC為原料配制成梯度分布層后燒結(jié)而成，沿所述梯度分布層的厚度方向，Ti2AlC原料的體積分數(shù)由(Γ5%逐漸增加到60"100%ο
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述Cu-Ti2AlC功能梯度材料的制備方法，其特征在于:以Cu粉末和Ti2AlC粉末為原料，按比例分別稱取后通過機械球磨混合均勻，逐層裝入石墨磨具中形成梯度分布層，在真 空或Ar氣氛下，采用熱壓燒結(jié)而成，燒結(jié)溫度為80(Γ1000 ，升溫速率為8 20°C /min，壓力為20 40MPa，保溫0.5 汕。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述Cu-Ti2AlC功能梯度材料的制備方法，其特征在于:所述Ti2AlC粉末的粒度為3 20微米，Cu粉末的粒度范圍為325目 600目。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述Cu-Ti2AlC功能梯度材料的制備方法，其特征在于:所述機械球磨混合在酒精介質(zhì)中進行，時間為4 12h。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種Cu-Ti2AlC功能梯度材料的制備方法，其特征在于所制備的梯度材料一側(cè)為純Cu或主要成分為Cu的復合材料，另一側(cè)為純Ti2AlC或主要成分為Ti2AlC的復合材料，中間層數(shù)為1~4層，隨厚度方向，Cu與Ti2AlC的含量呈梯度變化，并伴隨性能逐漸變化。沿富Cu方向到富Ti2AlC方向，材料硬度、強度顯著提高，抗氧化以及抗高溫性能提高，耐磨損性能以及彈性模量都逐漸提高；沿富Ti2AlC方向到富Cu方向，韌性、導電率、導熱率都得到顯著提高。材料對于滿足不同接觸面具備不同使用性能的特殊環(huán)境具有重要意義。該材料是通過以Cu與Ti2AlC粉末為原料，均勻混合后通過分層裝料后在一定氣氛下采用熱壓燒結(jié)制備。燒結(jié)溫度為800~1000℃，升溫速率為8~20℃/min，壓力為20~40MPa，保溫0.5~3小時。本發(fā)明采用熱壓燒結(jié)法，所制備的梯度材料致密度高，性能優(yōu)異，具有良好的產(chǎn)業(yè)化前景。
文檔編號B32B18/00GK103085395SQ2012105695
公開日2013年5月8日 申請日期2012年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月25日
發(fā)明者陳艷林, 曾成文, 嚴明, 熊焰, 李宗育 申請人:湖北工業(yè)大學