用于超重力輔助燃燒合成銅基復(fù)合材料的鋁熱劑的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于燃燒合成制備【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及用于超重力輔助燃燒合成銅基復(fù)合材料的鋁熱劑。本發(fā)明的鋁熱劑，在配方中采用粒度梯度分布的CuO粉體和粒度梯度分布的Al粉體，通過添加Cu2O粉體、Cu粉體、MgO粉體和CaF2粉體調(diào)控制備銅基復(fù)合材料時(shí)的反應(yīng)的燃燒速率和放熱量，實(shí)現(xiàn)了超重力場中鋁熱反應(yīng)的穩(wěn)定可控。本發(fā)明的鋁熱劑具有低噴濺率、高放熱量、穩(wěn)定可控的特點(diǎn)，適用于超重力輔助燃燒合成制備多種銅基復(fù)合材料。
【專利說明】用于超重力輔助燃燒合成銅基復(fù)合材料的鋁熱劑
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于燃燒合成制備【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及用于超重力輔助燃燒合成銅基復(fù)合材料的鋁熱劑。
【背景技術(shù)】
[0002]銅基復(fù)合材料能充分發(fā)揮基體Cu的高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱特性和增強(qiáng)相或復(fù)合層的高強(qiáng)度、高硬度、低熱膨脹系數(shù)等特性，具有優(yōu)良的綜合物理性能和力學(xué)性能。根據(jù)復(fù)合的特點(diǎn)，銅基復(fù)合材料可分為顆粒增強(qiáng)型、纖維增強(qiáng)型和平面覆銅型三種類型。常見的顆粒增強(qiáng)型中的顆粒增強(qiáng)相包括W、Al203、SiC、AlN、金剛石等，纖維增強(qiáng)型中的纖維增強(qiáng)相則包括C纖維、B纖維、SiC纖維、鎢絲等。不同增強(qiáng)相強(qiáng)化的銅基復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于電子封裝熱沉材料、電觸頭材料、電阻焊電極、燃燒室襯套、核聚變堆中面向等離子材料等。粉末冶金法、機(jī)械合金法和熔滲法是制備銅基復(fù)合材料最常見的方法，各種制備方法在銅基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能調(diào)控及成本控制上各具特色。隨著各領(lǐng)域技術(shù)的不斷革新，在控制成本的同時(shí)對銅基復(fù)合材料的性能提出了更高的要求。新的制備工藝的提出為實(shí)現(xiàn)銅基復(fù)合材料更廣泛的應(yīng)用提供了可能。
[0003]燃燒合成是高放熱的化學(xué)體系通過外界提供一定的能量誘發(fā)局部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成燃燒反應(yīng)前沿，然后利用反應(yīng)自身放出的熱量使燃燒波在反應(yīng)體系中不斷的自發(fā)向前擴(kuò)展，直至反應(yīng)物完畢為止，從而在很短的時(shí)間內(nèi)合成所需的材料的過程。燃燒合成工藝具有能源利用率高、燃燒溫度高、燃燒速度快、產(chǎn)物高純、設(shè)備及工藝過程簡單等特點(diǎn)。目前，燃燒合成工藝已成功應(yīng)用于多種陶瓷材料、金屬基與陶瓷基復(fù)合材料、金屬間化合物、功能梯度材料等的制備。然而，燃燒合成工藝由于反應(yīng)速度快，合成過程中溫度梯度大，反應(yīng)可控性較差，致使產(chǎn)品的孔隙度較高，難以獲得較純凈的金屬或陶瓷產(chǎn)物。特別在制備高致密度金屬基或陶瓷基復(fù)合材料時(shí)，外場輔助是實(shí)現(xiàn)金屬與陶瓷相分離及致密化的最好方式。將離心力外場與燃燒合成工藝結(jié)合制備的陶瓷內(nèi)襯和不銹鋼內(nèi)襯復(fù)合鋼管已大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用于鋁液、地下熱水、石`油和天然氣等的輸送。然而，普通離心力外場(重力系數(shù)為15(T200g)的輔助還不足以實(shí)現(xiàn)高致密度、高純度、結(jié)構(gòu)與性能可調(diào)控的銅基復(fù)合材料的制備。
[0004]超重力外場輔助燃燒合成是利用鋁熱反應(yīng)產(chǎn)生超高溫，使反應(yīng)生成的金屬盒陶瓷產(chǎn)物處于熔融態(tài)，同時(shí)施以超重力外場(重力系數(shù)為50(Tl0000g)實(shí)現(xiàn)金屬與陶瓷熔體的完全分離與致密化，超重力外場對傳質(zhì)和傳熱過程的強(qiáng)化為實(shí)現(xiàn)材料進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)調(diào)控與性能提升提供了極大可能。采用超重力輔助燃燒合成工藝制備具有優(yōu)良綜合物理性能和力學(xué)性能的銅基復(fù)合材料時(shí)，選擇合適的鋁熱劑體系制備基體Cu極其重要。常見的鋁熱反應(yīng)體系，如Al-CuO體系和CaSi2-CuO體系，具有不同的燃燒速率和燃燒溫度，主要用于焊接，在反應(yīng)穩(wěn)定性、燃燒速率和溫度可調(diào)控性、產(chǎn)物純度等方面難以滿足超重力輔助燃燒合成工藝的需要。因此，開發(fā)一種適用于超重力輔助燃燒合成工藝的鋁熱劑體系，顯得尤為關(guān)鍵。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種用于超重力輔助燃燒合成銅基復(fù)合材料的反應(yīng)穩(wěn)定、燃燒速率和燃燒溫度可調(diào)控、產(chǎn)物純度高的鋁熱劑；所提供的鋁熱劑通過超重力輔助燃燒合成工藝可以實(shí)現(xiàn)多種銅基復(fù)合材料的制備。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思是:為滿足超重力輔助燃燒合成工藝的需要，鋁熱劑需圍繞以下三點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)。一、降低鋁熱反應(yīng)的噴濺程度；二、提高鋁熱反應(yīng)產(chǎn)物的純度；三、提高鋁熱反應(yīng)產(chǎn)物的致密度。鋁熱反應(yīng)的燃燒速率和燃燒溫度是調(diào)節(jié)噴濺程度和致密度的關(guān)鍵，而配方中添加劑的使用則對控制產(chǎn)物的純度尤為重要。
[0007]本發(fā)明的用于超重力輔助燃燒合成銅基復(fù)合材料的鋁熱劑主要是由粒度梯度分布的CuO粉體和粒度梯度分布的Al粉體，及添加的Cu2O粉體、MgO粉體和CaF2粉體混合后得到。添加的Cu2O粉體、MgO粉體和CaF2粉體添加劑用來調(diào)控鋁熱反應(yīng)的燃燒速率、燃燒溫度和產(chǎn)物純度。
[0008]所述的粒度梯度分布的CuO粉體的粒度梯度分布為24目 >粒度≥100目，100目>粒度≥200目，200目>粒度≥300目。
[0009]所述的粒度梯度分布的Al粉體的粒度梯度分布為30目 >粒度> 60目，60目 >粒度≥100目，100目 >粒度≥200目。
[0010]在本發(fā)明的鋁熱劑中，以所述的粒度梯度分布的CuO粉體的重量份為基準(zhǔn)，所述的鋁熱劑中的粒度梯度分布的CuO粉體為35~75重量份，粒度梯度分布的Al粉體為8~12重量份，Cu2O粉體為2飛重量份，MgO粉體為5~10重量份，CaF2粉體為f 6重量份。
[0011]其中:所述的粒度梯度分布的CuO粉體中的粒度梯度分布為24目 >粒度> 100目的CuO粉體為2~40重量份，100目 >粒度≥200目的CuO粉體為3~30重量份，200目 >粒度≥300目的CuO粉體為5~30重量份。
[0012]其中:所述的粒度梯度分布的Al粉體中的粒度梯度分布為30目 >粒度> 60目的Al粉體為2~8重量份，60目 >粒度≥100目的Al粉體為2~4重量份，100目 >粒度≥200目的Al粉體為2~4重量份。
[0013]在本發(fā)明的鋁熱劑中進(jìn)一步含有Cu粉體，以所述的鋁熱劑中所述的粒度梯度分布的CuO粉體的重量份為基準(zhǔn)，所述的Cu粉體在所述的鋁熱劑中的含量為0-40重量份。添加的Cu粉體添加劑也可用來調(diào)控鋁熱反應(yīng)的燃燒速率、燃燒溫度和產(chǎn)物純度。
[0014]所述的Cu2O粉體的粒度優(yōu)選為200~300目。所述的MgO粉體的粒度優(yōu)選為200~300目。所述的CaF2粉體的粒度優(yōu)選為200~300目。所述的Cu粉體的粒度優(yōu)選為200~300目。
[0015]鋁熱體系A(chǔ)l-CuO的反應(yīng)絕熱溫度高達(dá)3000K，使得鋁熱劑內(nèi)部的氣體急劇膨脹，造成產(chǎn)物的噴濺甚至產(chǎn)生爆炸。Al與CuO之間的接觸面積影響著鋁熱反應(yīng)的燃燒速率和燃燒溫度，Al粉體和CuO粉體的粒度越小，則接觸面積越大反應(yīng)越劇烈。本發(fā)明中采用粒度梯度分布的CuO粉體和粒度梯度分布的Al粉體，能夠很好的控制燃燒速率和燃燒溫度，降低鋁熱反應(yīng)的噴濺率。
[0016]鋁熱反應(yīng)的自蔓延燃燒首先需要外界提供一定的能量誘發(fā)局部化學(xué)反應(yīng)，這一過程稱為“點(diǎn)燃”。降低點(diǎn)燃溫度對提高鋁熱反應(yīng)的可靠性具有重要的實(shí)際應(yīng)用。Al與Cu2O的低溫放熱反應(yīng)為鋁熱體系的自蔓延燃燒進(jìn)一步提供了大量的熱。本發(fā)明中添加粒度優(yōu)選為200-300目，優(yōu)選為2飛重量份的Cu2O粉體，降低了鋁熱反應(yīng)的點(diǎn)燃溫度。[0017]鋁熱反應(yīng)的放熱量直接影響著反應(yīng)的劇烈程度和產(chǎn)物的致密度，為實(shí)現(xiàn)對鋁熱反應(yīng)放熱量的有效調(diào)控，本發(fā)明中在控制Al粉體和CuO粉體粒度分布調(diào)節(jié)產(chǎn)熱的同時(shí)，添加了既能保持產(chǎn)物純度又能大量吸熱的稀釋劑Cu粉體。通過添加粒度優(yōu)選為200-300目，優(yōu)選為0-40重量份的稀釋劑Cu粉體，豐富了對鋁熱反應(yīng)放熱量的調(diào)控。
[0018]在鋁熱反應(yīng)的實(shí)際過程中，產(chǎn)熱與散熱控制著整個(gè)體系的熱分布，維持體系穩(wěn)定均衡的熱分布有利于銅基復(fù)合材料的制備。利用高溫時(shí)MgO被Al還原生成Mg吸熱,低溫時(shí)Mg又氧化生成MgO放熱的特點(diǎn)，能很好的均衡鋁熱體系的熱分布；并且MgO與鋁熱反應(yīng)產(chǎn)物Al2O3反應(yīng)生成MgAl2O4，既能調(diào)節(jié)熔體粘度促進(jìn)金屬與陶瓷相的分離，又不影響金屬相的純度。本發(fā)明中添加粒度優(yōu)選為200-300目，重量份優(yōu)選為5~10份的MgO粉體，均衡了鋁熱體系的熱分布。
[0019]造渣劑是鋁熱劑中影響金屬與陶瓷相分離的重要組分。鋁熱反應(yīng)后的熔融產(chǎn)物為Cu和Al2O3,由于Al2O3的熔點(diǎn)(2050 V )遠(yuǎn)高于Cu的熔點(diǎn)(1083°C )，Al2O3將先于Cu凝固而留在其中無法分離。本發(fā)明中造渣劑CaF2粉體的添加，在反應(yīng)體系中生成低熔點(diǎn)3Ca0.Α1203中間相，使熔體粘度降低，在超重力場的作用下進(jìn)一步促進(jìn)了金屬與陶瓷相的分離和致密化。添加粒度優(yōu)選為200-300目，重量份優(yōu)選為I飛份的CaF2粉體，促進(jìn)了金屬與陶瓷相的分離和致密化。
[0020]本發(fā)明的用于超重力輔助燃燒合成銅基復(fù)合材料的鋁熱劑，在用于制備銅基復(fù)合材料時(shí)，操作步驟如下:
[0021](I)原料準(zhǔn)備:按選定鋁熱劑的配方稱取各種原料，采用球磨機(jī)在50-100轉(zhuǎn)/分鐘的條件下混合各種原料30飛0分鐘，得到鋁熱劑；
[0022](2)配料成型:將步驟(1)混合均勻得到的鋁熱劑在5~15MPa下壓制成型；鋁熱劑坯體的尺寸由所使用的模具分尺寸決定，鋁熱劑坯體的直徑一般在20-200毫米范圍內(nèi)；
`[0023](3)向模具中裝料:將要制備的銅基復(fù)合材料的增強(qiáng)相按制備方式的不同與步驟(2)得到的鋁熱劑坯體置于石墨模具、石英模具或剛玉模具內(nèi)，并將鎢螺旋絲(直徑為0.5毫米)緊貼鋁熱劑坯體上端的表面，且不與所述的模具接觸導(dǎo)通；
[0024](4)超重力場中燃燒合成:將步驟(3)得到的裝料模具固定于超重力輔助燃燒合成裝置的反應(yīng)腔內(nèi)，連接鎢螺旋絲電路，關(guān)閉反應(yīng)腔；啟動真空泵，將反應(yīng)腔內(nèi)真空度抽至10-10000帕斯卡，關(guān)閉真空泵；啟動超重力輔助燃燒合成裝置的驅(qū)動裝置，使反應(yīng)腔高速旋轉(zhuǎn)直至到達(dá)1000-5000轉(zhuǎn)/分鐘(重力系數(shù)為28(T6990g);啟動點(diǎn)火裝置，利用鎢螺旋絲發(fā)熱誘發(fā)超重力場中鋁熱劑的自蔓延燃燒合成反應(yīng)；10-30分鐘后關(guān)閉超重力輔助燃燒合成裝置的驅(qū)動裝置；反應(yīng)腔停止旋轉(zhuǎn)后，打開裝置的放氣閥門至氣壓恢復(fù)一個(gè)大氣壓；開啟反應(yīng)腔取出產(chǎn)物，產(chǎn)物分兩層，上層為陶瓷相產(chǎn)物，下層為組分設(shè)計(jì)的銅基復(fù)合材料產(chǎn)物。
[0025]本發(fā)明的用于超重力輔助燃燒合成銅基復(fù)合材料的鋁熱劑，在配方中采用粒度梯度分布的CuO粉體和粒度梯度分布的Al粉體，通過添加Cu20、Cu、MgO和CaF2調(diào)控制備銅基復(fù)合材料時(shí)的反應(yīng)的燃燒速率和放熱量，實(shí)現(xiàn)了超重力場中鋁熱反應(yīng)的穩(wěn)定可控。本發(fā)明的鋁熱劑具有低噴濺率、高放熱量、穩(wěn)定可控的特點(diǎn)，適用于超重力輔助燃燒合成制備多種銅基復(fù)合材料?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0026]圖1.超重力輔助燃燒合成示意圖。
[0027]圖2.本發(fā)明實(shí)施例1的超重力輔助燃燒合成產(chǎn)物的照片。
[0028]圖3.本發(fā)明實(shí)施例1的超重力輔助燃燒合成產(chǎn)物的XRD圖譜。
【具體實(shí)施方式】
[0029]實(shí)施例1
[0030]用于超重力輔助燃燒合成銅基復(fù)合材料的鋁熱劑是由粒度梯度分布的CuO粉體和粒度梯度分布的Al粉體，及添加的Cu2O粉體、MgO粉體和CaF2粉體混合后得到；所述的鋁熱劑的成份及配比如表1所示。
[0031]表1
【權(quán)利要求】
1.一種用于超重力輔助燃燒合成銅基復(fù)合材料的鋁熱劑，其特征是:所述的鋁熱劑主要是由粒度梯度分布的CuO粉體、粒度梯度分布的Al粉體、Cu2O粉體、MgO粉體和CaF2粉體混合后得到；其中:粒度梯度分布的CuO粉體的粒度梯度分布為24目>粒度> 100目，100目>粒度> 200目，200目>粒度> 300目；粒度梯度分布的Al粉體的粒度梯度分布為30目>粒度≥60目，60目>粒度≥100目，100目>粒度≥200目。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁熱劑，其特征是:以所述的鋁熱劑中所述的粒度梯度分布的CuO粉體的重量份為基準(zhǔn)，所述的鋁熱劑中的粒度梯度分布的CuO粉體為35~75重量份，粒度梯度分布的Al粉體為8~12重量份，Cu2O粉體為2飛重量份，MgO粉體為5~10重量份，CaF2粉體為1~6重量份。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋁熱劑，其特征是:所述的粒度梯度分布的CuO粉體中的粒度梯度分布為24目 >粒度≥100目的CuO粉體為2~40重量份，100目 >粒度≥200目的CuO粉體為3~30重量份，200目 >粒度> 300目的CuO粉體為5~30重量份； 所述的粒度梯度分布的Al粉體中的粒度梯度分布為30目 >粒度> 60目的Al粉體為2~8重量份，60目 >粒度≥100目的Al粉體為2~4重量份，100目 >粒度≥200目的Al粉體為2~4重量份。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋁熱劑，其特征是:所述的Cu2O粉體的粒度為200-300目；所述的MgO粉體的粒度為200~300目；所述的CaF2粉體的粒度為200~300目。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋁熱劑，其特征是:所述的鋁熱劑中含有Cu粉體。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鋁熱劑，其特征是:所述的鋁熱劑中含有Cu粉體，以所述的鋁熱劑中所述的粒度梯度分布的CuO粉體的重量份為基準(zhǔn)，所述的Cu粉體在所述的鋁熱劑中的含量為0-40重量份。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鋁熱劑，其特征是:所述的Cu粉體的粒度為200-300目。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的鋁熱劑，其特征是:所述的Cu粉體的粒度為200-300目。
【文檔編號】C22C1/10GK103789548SQ201210427945
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月31日
【發(fā)明者】李江濤, 賀剛, 郭世斌, 劉光華 申請人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所