專利名稱：一種鋯鋁碳陶瓷顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域，具體為一種粉末冶金的方法制備 具有高導(dǎo)電和高耐磨性能的鋯鋁碳Gr2Al3C4)陶瓷顆粒強(qiáng)化銅基復(fù)合材料的方法。
背景技術(shù)：
銅基材料具有優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能、良好的摩擦性能和低廉的成本，因而被應(yīng)用 于航天、航空、航海、電子和磁學(xué)等諸多領(lǐng)域，例如電觸頭、電刷、主動(dòng)冷卻構(gòu)件、電子元件、 電極、低速重載條件下的摩擦材料等等。但由于純銅的強(qiáng)度、硬度和耐磨性偏低，限制了其 廣泛應(yīng)用。合金化可以改善銅基材料的力學(xué)性能，然而合金元素的大量添加會(huì)顯著降低其 導(dǎo)電性。文獻(xiàn) 1 德國金屬學(xué)報(bào)(Zeitschrift fur Metallkunde. 47，347 (1956))中 Pawlek 等人討論了不同合金元素的添加對(duì)金屬銅的電導(dǎo)的影響，其中常用的硅、鉻和鐵等元素顯 著降低了銅的電導(dǎo)。另一個(gè)可供選擇的、既可以改善銅的機(jī)械性能又不對(duì)電導(dǎo)有嚴(yán)重?fù)p害 的方法，是在金屬銅中添加導(dǎo)電的、硬的第二相陶瓷顆粒，如TiB2、TiC等。文獻(xiàn)2 材料快報(bào) (Scripta Materialia 39,1063(1998))中Lee等人報(bào)道在銅中添加導(dǎo)電的碳化物顆粒可 以在提高銅強(qiáng)度的同時(shí)保持銅的高導(dǎo)電率。鋯鋁碳陶瓷Gr2Al3C4)是一種新型的三元陶瓷 材料。文獻(xiàn)3 美國陶瓷學(xué)會(huì)會(huì)刊(Journal of American CeramicSociety 90,3687(2007)) 中He等人報(bào)道Zr2Al3C4陶瓷具有低密度、高電導(dǎo)、高模量、高斷裂韌性和優(yōu)異的高溫力學(xué)性 能等優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高導(dǎo)電、高強(qiáng)度和高耐磨鋯鋁碳陶瓷Gr2Al3C4)顆粒 強(qiáng)化銅基復(fù)合材料的制備方法。這種方法操作簡單、工藝條件容易控制、成本低。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種鋯鋁碳陶瓷顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，利用均勻彌散分布在銅中的鋯鋁碳陶瓷 (Zr2Al3C4)顆粒對(duì)銅進(jìn)行強(qiáng)化。合成一系列顆粒強(qiáng)化銅基復(fù)合材料，其中鋯鋁碳陶瓷的含量 為 5 15vol. %。所述利用鋯鋁碳陶瓷顆粒強(qiáng)化銅基復(fù)合材料的制備方法，以鋯鋁碳陶瓷 (Zr2Al3C4)為原料，將制得的鋯鋁碳陶瓷顆粒用行星式球磨方法球磨5 50小時(shí)(優(yōu)選為 10 30小時(shí))，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為100 500轉(zhuǎn)/分鐘(優(yōu)選為200 300轉(zhuǎn)/分鐘)，得到平 均顆粒尺寸為2 5微米的粉末；再將得到的鋯鋁碳陶瓷粉末按預(yù)定比例(5 15vol. % ) 與銅粉混合；混合粉末經(jīng)行星式球磨方法球磨5 20小時(shí)后，裝入石墨模具中冷壓成型， 施加的壓強(qiáng)為3 20MPa(優(yōu)選為5 IOMPa)冷壓時(shí)間5 10分鐘；在通有保護(hù)氣氛的 熱壓爐內(nèi)燒結(jié)，升溫速率為2 30°C /min(優(yōu)選為10 20°C /min)，燒結(jié)溫度為700 IOOO0C (優(yōu)選為800 900°C )，燒結(jié)時(shí)間為0. 2 2小時(shí)(優(yōu)選為0. 5 1小時(shí))，燒結(jié)壓 強(qiáng)為20 40MPa(優(yōu)選為30 35MPa)。從而，本發(fā)明可以在較簡單的工藝下制備出具有高 強(qiáng)度、高耐磨的鋯鋁碳陶瓷顆粒強(qiáng)化銅基復(fù)合材料。
所述加入的銅粉粒度范圍為20 40微米；所述燒結(jié)方式為熱壓燒結(jié)或熱等靜壓 燒結(jié)；所述惰性氣體為氬氣；所述行星式球磨方法為在瑪瑙球磨罐中球磨。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1、力學(xué)性能好。采用本發(fā)明方法制備的鋯鋁碳陶瓷顆粒強(qiáng)化銅基復(fù)合材料能夠?qū)?現(xiàn)超細(xì)增強(qiáng)相的均勻分布，提高了增強(qiáng)相與基體之間的界面結(jié)合。利用本發(fā)明，鋯鋁碳陶瓷 (Zr2Al3C4)顆粒強(qiáng)化銅基復(fù)合材料的硬度、彎曲強(qiáng)度均比純銅有很大的提高。2、工藝簡單，成本低。本發(fā)明采用粉末冶金的方法進(jìn)行，成本比較低，可以制得近 尺寸的樣品；同時(shí)，材料在較低溫度和壓強(qiáng)下即可以制備。3、采用本發(fā)明，鋯鋁碳陶瓷顆粒強(qiáng)化銅基復(fù)合材料保持了金屬銅優(yōu)異的電學(xué)性 能；此外，該復(fù)合材料具有良好的耐磨性能。因而，在電觸頭、電刷、主動(dòng)冷卻構(gòu)件、電子元 件、電極、摩擦材料等方面都具有潛在的廣泛應(yīng)用前景。


圖1為復(fù)合材料的相對(duì)密度隨增強(qiáng)相含量的增加變化的趨勢。圖2為鋯鋁碳顆粒強(qiáng)化銅基復(fù)合材料的電阻率隨增強(qiáng)相含量增加的變化曲線。圖3為鋯鋁碳陶瓷顆粒強(qiáng)化銅基復(fù)合材的彎曲強(qiáng)度和硬度隨增強(qiáng)相含量的變化 曲線。圖4為穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)隨增強(qiáng)相含量增加的變化趨勢。圖5為滑動(dòng)摩擦磨損率隨增強(qiáng)相含量增加的變化趨勢。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)例詳述本發(fā)明。實(shí)施例1首先，以鋯鋁碳陶瓷為原料，采用行星式球磨方法球磨12小時(shí)，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為300 轉(zhuǎn)/分鐘，得到平均顆粒尺寸為2 5微米的粉末；然后，將得到的平均顆粒尺寸為2 5 微米的鋯鋁碳陶瓷Gr2Al3C4)粉4. 14克、銅粉129. 49克在球磨罐中球磨10小時(shí)，之后裝 入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強(qiáng)為lOMPa，冷壓時(shí)間5 10分鐘；然后，放入熱壓爐中 熱壓燒結(jié)，升溫速率為20°C /分鐘，加熱到900°C保溫1. 5小時(shí)，同時(shí)壓力逐漸加到35MPa。 整個(gè)燒結(jié)過程在氬氣保護(hù)下進(jìn)行。獲得的反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)X射線衍射分析為銅和鋯鋁碳陶瓷 (Zr2Al3C4)兩相，鋯鋁碳陶瓷Gr2Al3C4)均勻彌散分布在銅中。根據(jù)原始配比，其中的鋯鋁 碳陶瓷含量為5vol. %。由阿基米德法測得的密度為8. 72g/cm3，為理論密度的99.7%。 Cu-5vol. % Zr2Al3C4復(fù)合材料的室溫電阻為1. 98μ Ω · cm，布氏硬度為HRB = 40. 7，彎曲 強(qiáng)度為353. 7MPa。實(shí)施例2首先，以鋯鋁碳陶瓷為原料，采用行星式球磨方法球磨18小時(shí)，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為200 轉(zhuǎn)/分鐘，得到平均顆粒尺寸為2 5微米的粉末；然后，將得到的將平均顆粒尺寸為2 5微米的鋯鋁碳陶瓷(Zr2Al3C4)粉13. 23克、銅粉113. 54克在球磨罐中球磨15小時(shí)，之 后裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強(qiáng)為15MPa，冷壓時(shí)間10分鐘；然后，放入熱壓爐中 熱壓燒結(jié)，升溫速率為10°C /分鐘，加熱到800°C保溫2小時(shí)，同時(shí)壓力逐漸加到30MPa。整個(gè)燒結(jié)過程在氬氣保護(hù)下進(jìn)行。獲得的反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)X射線衍射分析為銅和鋯鋁碳陶瓷 (Zr2Al3C4)兩相，鋯鋁碳陶瓷(Zr2Al3C4)均勻彌散分布在銅中。根據(jù)原始配比，其中鋯鋁 碳陶瓷含量為15vol. %。由阿基米德法測得的密度為8. 05g/cm3，為理論密度的96. 8%。 Cu-15vol. % Zr2Al3C4復(fù)合材料的室溫電阻為2. 71 μ Ω · cm，布氏硬度為HRB = 55. 5，彎曲 強(qiáng)度為309. 2MPa。實(shí)施例3首先，以鋯鋁碳陶瓷為原料，采用行星式球磨方法球磨16小時(shí)，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為270 轉(zhuǎn)/分鐘，得到平均顆粒尺寸為2 5微米的粉末；然后，將得到的將平均顆粒尺寸為2 5微米的鋯鋁碳陶瓷Gr2Al3C4)粉7. 48克、銅粉125. 52克在球磨罐中球磨10小時(shí)，之后 裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強(qiáng)為20MPa，冷壓時(shí)間10分鐘；然后，放入熱壓爐中 熱壓燒結(jié)，升溫速率為10°C /分鐘，加熱到850°C保溫1小時(shí)，同時(shí)壓力逐漸加到30MPa。 整個(gè)燒結(jié)過程在氬氣保護(hù)下進(jìn)行。獲得的反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)X射線衍射分析為銅和鋯鋁碳陶瓷 (Zr2Al3C4)兩相，鋯鋁碳陶瓷(Zr2Al3C4)均勻彌散分布在銅中。根據(jù)原始配比，其中鋯鋁 碳陶瓷含量為10vol. %。由阿基米德法測得的密度為8. 33g/cm3，為理論密度的97. 7%。 Cu-lOvol. % Zr2Al3C4復(fù)合材料的室溫電阻為2. 26 μ Ω · cm，布氏硬度為HRB = 49. 5，彎曲 強(qiáng)度為273. 2MPa。實(shí)施例4對(duì)制備的一系列(5vol. %、10vol. %和15vol. % )Cu/Zr2Al3C4復(fù)合材料的摩擦 性能進(jìn)行測試。在無潤滑劑的條件下，采用銷盤式的摩擦形式，對(duì)磨副選用熱處理后的 GCr 15 (HRC = 62 64)。實(shí)驗(yàn)載荷為5N，滑動(dòng)速度為15m/min，滑動(dòng)距離為300m。對(duì)于 Cu-lOvol. % Zr2Al3C4復(fù)合材料其穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)為0. 721，磨損率為0. 48 X lO.mm3/!!!。比較例采用與實(shí)施例1相同的工藝制備了純銅，同樣工藝制備的純銅的室溫電阻為 1.92 μ Ω ^m,布氏硬度為HRB = 28。由阿基米德法測得的密度為8. 93g/cm3，為理論密度的 99.9%。穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)為0.946，磨損率為1.38Xl(TicWii3Ai?？梢?，鋯鋁碳陶瓷(Zr2Al3C4) 顆粒強(qiáng)化銅基復(fù)合材料具有比純銅更好的力學(xué)性能和摩擦性能，并保持了純銅的高導(dǎo)電性 能。這說明鋯鋁碳陶瓷顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料是一種高強(qiáng)度、高導(dǎo)電和高耐磨的復(fù)合材料。圖1表示的是復(fù)合材料的相對(duì)密度隨增強(qiáng)相含量的增加變化的趨勢，當(dāng)鋯鋁碳 陶瓷顆粒加入量達(dá)到15vol. %時(shí)，復(fù)合材料的相對(duì)密度仍然接近97%。圖1內(nèi)插入圖為 Cu-15vol. % Zr2Al3C4復(fù)合材料的所對(duì)應(yīng)X射線衍射圖，可見復(fù)合材料中沒有雜質(zhì)相存在， 僅含有銅和鋯鋁碳陶瓷兩相。圖2表示的是鋯鋁碳顆粒強(qiáng)化銅基復(fù)合材料的電阻率隨增強(qiáng)相含量增加的變化 趨勢。復(fù)合材料的電阻與純銅相當(dāng)，即使增強(qiáng)相含量達(dá)到15vol. %，復(fù)合材料的電導(dǎo)率仍然 保持了純銅電導(dǎo)率的70.8%。圖3為鋯鋁碳陶瓷顆粒強(qiáng)化銅基復(fù)合材的彎曲強(qiáng)度和硬度隨增強(qiáng)相含量的變化。 材料硬度隨增強(qiáng)相含量增加顯著增大，而彎曲強(qiáng)度也保持在較高的水平。圖4為穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)隨增強(qiáng)相含量增加的變化趨勢，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)較純銅有顯著降低。圖5為滑動(dòng)摩擦磨損率隨增強(qiáng)相含量增加的變化趨勢，復(fù)合材料的摩擦磨損率較純銅有顯著降低。 由實(shí)施例1、實(shí)施例2、實(shí)施例3、實(shí)施例4和比較例可見，本發(fā)明可以在簡單的制備 工藝下原位制備出鋯鋁碳陶瓷強(qiáng)化銅基復(fù)合材料，所制備的鋯鋁碳陶瓷顆粒強(qiáng)化銅基復(fù)合 材料具有高導(dǎo)電、高硬度、高強(qiáng)度和高耐磨的優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
一種鋯鋁碳陶瓷顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，其特征在于利用鋯鋁碳陶瓷顆粒彌散分布在銅基體中對(duì)金屬銅強(qiáng)化，合成一系列成分的鋯鋁碳陶瓷顆粒強(qiáng)化銅基復(fù)合材料，其中鋯鋁碳陶瓷顆粒的含量為5～15vol.％。
2.按照權(quán)利要求1所述的鋯鋁碳陶瓷顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備方法，其特征 在于首先，以鋯鋁碳陶瓷為原料，采用行星式球磨方法球磨5 50小時(shí)，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為 100 500轉(zhuǎn)/分鐘，得到平均顆粒尺寸為2 5微米的粉末；然后，將得到的鋯鋁碳陶瓷 粉末按預(yù)定比例與銅粉混合；混合粉末經(jīng)行星式球磨方法球磨5 30小時(shí)后，裝入石墨模 具中冷壓成型，施加的壓強(qiáng)為3 20MPa，冷壓時(shí)間5 10分鐘；接著，在通有保護(hù)氣氛的 熱壓爐內(nèi)燒結(jié)，升溫速率為2 30°C /分鐘，燒結(jié)溫度為700 1000°C、燒結(jié)時(shí)間為0. 2 2小時(shí)、燒結(jié)壓強(qiáng)為20 40MPa。
3.按照權(quán)利要求2所述的鋯鋁碳陶瓷顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備方法，其特征在 于所述加入的鋯鋁碳陶瓷顆粒的平均尺寸為2 5微米。
4.按照權(quán)利要求2所述的鋯鋁碳陶瓷顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備方法，其特征在 于所述鋯鋁碳陶瓷顆粒的體積含量為5 15vol. %。
全文摘要
本發(fā)明涉及陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域，具體為一種粉末冶金的方法制備具有高導(dǎo)電和高耐磨性能的鋯鋁碳陶瓷顆粒強(qiáng)化銅基復(fù)合材料。利用分布在銅基體中的鋯鋁碳陶瓷顆粒，制備成一系列成分的復(fù)合材料，其中鋯鋁碳陶瓷的含量為5～15vol.％。首先，以鋯鋁碳陶瓷為原料，采用行星式球磨方法球磨，得到平均顆粒尺寸為2～5微米的粉末；再將得到的鋯鋁碳陶瓷粉末按預(yù)定比例與銅粉混合；混合粉末經(jīng)行星式球磨方法進(jìn)一步球磨后，裝入石墨模具中冷壓成型；在通有保護(hù)氣氛的熱壓爐內(nèi)燒結(jié)。從而，可以在簡單的制備工藝下制備出具有高導(dǎo)電和高耐磨的鋯鋁碳陶瓷強(qiáng)化銅基復(fù)合材料。
文檔編號(hào)C22C32/00GK101824559SQ20091001056
公開日2010年9月8日 申請(qǐng)日期2009年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月4日
發(fā)明者何靈峰, 周延春, 張潔 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院金屬研究所