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

發明內容
本發明的目的在于提供一種高導電、高強度和高耐磨鋯鋁碳陶瓷Gr2Al3C4)顆粒 強化銅基復合材料的制備方法。這種方法操作簡單、工藝條件容易控制、成本低。本發明的技術方案是一種鋯鋁碳陶瓷顆粒增強銅基復合材料，利用均勻彌散分布在銅中的鋯鋁碳陶瓷 (Zr2Al3C4)顆粒對銅進行強化。合成一系列顆粒強化銅基復合材料，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化銅基復合材料的制備方法，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(優選為 10 30小時)，球磨機轉速為100 500轉/分鐘(優選為200 300轉/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定比例(5 15vol. % ) 與銅粉混合；混合粉末經行星式球磨方法球磨5 20小時后，裝入石墨模具中冷壓成型， 施加的壓強為3 20MPa(優選為5 IOMPa)冷壓時間5 10分鐘；在通有保護氣氛的 熱壓爐內燒結，升溫速率為2 30°C /min(優選為10 20°C /min)，燒結溫度為700 IOOO0C (優選為800 900°C )，燒結時間為0. 2 2小時(優選為0. 5 1小時)，燒結壓 強為20 40MPa(優選為30 35MPa)。從而，本發明可以在較簡單的工藝下制備出具有高 強度、高耐磨的鋯鋁碳陶瓷顆粒強化銅基復合材料。
所述加入的銅粉粒度范圍為20 40微米；所述燒結方式為熱壓燒結或熱等靜壓 燒結；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。本發明的優點是1、力學性能好。采用本發明方法制備的鋯鋁碳陶瓷顆粒強化銅基復合材料能夠實 現超細增強相的均勻分布，提高了增強相與基體之間的界面結合。利用本發明，鋯鋁碳陶瓷 (Zr2Al3C4)顆粒強化銅基復合材料的硬度、彎曲強度均比純銅有很大的提高。2、工藝簡單，成本低。本發明采用粉末冶金的方法進行，成本比較低，可以制得近 尺寸的樣品；同時，材料在較低溫度和壓強下即可以制備。3、采用本發明，鋯鋁碳陶瓷顆粒強化銅基復合材料保持了金屬銅優異的電學性 能；此外，該復合材料具有良好的耐磨性能。因而，在電觸頭、電刷、主動冷卻構件、電子元 件、電極、摩擦材料等方面都具有潛在的廣泛應用前景。


圖1為復合材料的相對密度隨增強相含量的增加變化的趨勢。圖2為鋯鋁碳顆粒強化銅基復合材料的電阻率隨增強相含量增加的變化曲線。圖3為鋯鋁碳陶瓷顆粒強化銅基復合材的彎曲強度和硬度隨增強相含量的變化 曲線。圖4為穩態摩擦系數隨增強相含量增加的變化趨勢。圖5為滑動摩擦磨損率隨增強相含量增加的變化趨勢。
具體實施例方式下面通過實例詳述本發明。實施例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，球磨機轉速為300 轉/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，之后裝 入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強為lOMPa，冷壓時間5 10分鐘；然后，放入熱壓爐中 熱壓燒結，升溫速率為20°C /分鐘，加熱到900°C保溫1. 5小時，同時壓力逐漸加到35MPa。 整個燒結過程在氬氣保護下進行。獲得的反應產物經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復合材料的室溫電阻為1. 98μ Ω · cm，布氏硬度為HRB = 40. 7，彎曲 強度為353. 7MPa。實施例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，球磨機轉速為200 轉/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，之 后裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強為15MPa，冷壓時間10分鐘；然后，放入熱壓爐中 熱壓燒結，升溫速率為10°C /分鐘，加熱到800°C保溫2小時，同時壓力逐漸加到30MPa。整個燒結過程在氬氣保護下進行。獲得的反應產物經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 強度為309. 2MPa。實施例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，球磨機轉速為270 轉/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，之后 裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強為20MPa，冷壓時間10分鐘；然后，放入熱壓爐中 熱壓燒結，升溫速率為10°C /分鐘，加熱到850°C保溫1小時，同時壓力逐漸加到30MPa。 整個燒結過程在氬氣保護下進行。獲得的反應產物經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 強度為273. 2MPa。實施例4對制備的一系列(5vol. %、10vol. %和15vol. % )Cu/Zr2Al3C4復合材料的摩擦 性能進行測試。在無潤滑劑的條件下，采用銷盤式的摩擦形式，對磨副選用熱處理后的 GCr 15 (HRC = 62 64)。實驗載荷為5N，滑動速度為15m/min，滑動距離為300m。對于 Cu-lOvol. % Zr2Al3C4復合材料其穩態摩擦系數為0. 721，磨損率為0. 48 X lO.mm3/!!!。比較例采用與實施例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%。穩態摩擦系數為0.946，磨損率為1.38Xl(TicWii3Ai。可見，鋯鋁碳陶瓷(Zr2Al3C4) 顆粒強化銅基復合材料具有比純銅更好的力學性能和摩擦性能，并保持了純銅的高導電性 能。這說明鋯鋁碳陶瓷顆粒增強銅基復合材料是一種高強度、高導電和高耐磨的復合材料。圖1表示的是復合材料的相對密度隨增強相含量的增加變化的趨勢，當鋯鋁碳 陶瓷顆粒加入量達到15vol. %時，復合材料的相對密度仍然接近97%。圖1內插入圖為 Cu-15vol. % Zr2Al3C4復合材料的所對應X射線衍射圖，可見復合材料中沒有雜質相存在， 僅含有銅和鋯鋁碳陶瓷兩相。圖2表示的是鋯鋁碳顆粒強化銅基復合材料的電阻率隨增強相含量增加的變化 趨勢。復合材料的電阻與純銅相當，即使增強相含量達到15vol. %，復合材料的電導率仍然 保持了純銅電導率的70.8%。圖3為鋯鋁碳陶瓷顆粒強化銅基復合材的彎曲強度和硬度隨增強相含量的變化。 材料硬度隨增強相含量增加顯著增大，而彎曲強度也保持在較高的水平。圖4為穩態摩擦系數隨增強相含量增加的變化趨勢，復合材料的摩擦系數較純銅有顯著降低。圖5為滑動摩擦磨損率隨增強相含量增加的變化趨勢，復合材料的摩擦磨損率較純銅有顯著降低。 由實施例1、實施例2、實施例3、實施例4和比較例可見，本發明可以在簡單的制備 工藝下原位制備出鋯鋁碳陶瓷強化銅基復合材料，所制備的鋯鋁碳陶瓷顆粒強化銅基復合 材料具有高導電、高硬度、高強度和高耐磨的優點。
權利要求
一種鋯鋁碳陶瓷顆粒增強銅基復合材料，其特征在于利用鋯鋁碳陶瓷顆粒彌散分布在銅基體中對金屬銅強化，合成一系列成分的鋯鋁碳陶瓷顆粒強化銅基復合材料，其中鋯鋁碳陶瓷顆粒的含量為5～15vol.％。
2.按照權利要求1所述的鋯鋁碳陶瓷顆粒增強銅基復合材料的制備方法，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，球磨機轉速為 100 500轉/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 粉末按預定比例與銅粉混合；混合粉末經行星式球磨方法球磨5 30小時后，裝入石墨模 具中冷壓成型，施加的壓強為3 20MPa，冷壓時間5 10分鐘；接著，在通有保護氣氛的 熱壓爐內燒結，升溫速率為2 30°C /分鐘，燒結溫度為700 1000°C、燒結時間為0. 2 2小時、燒結壓強為20 40MPa。
3.按照權利要求2所述的鋯鋁碳陶瓷顆粒增強銅基復合材料的制備方法，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.按照權利要求2所述的鋯鋁碳陶瓷顆粒增強銅基復合材料的制備方法，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
本發明涉及陶瓷顆粒增強金屬基復合材料領域，具體為一種粉末冶金的方法制備具有高導電和高耐磨性能的鋯鋁碳陶瓷顆粒強化銅基復合材料。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定比例與銅粉混合；混合粉末經行星式球磨方法進一步球磨后，裝入石墨模具中冷壓成型；在通有保護氣氛的熱壓爐內燒結。從而，可以在簡單的制備工藝下制備出具有高導電和高耐磨的鋯鋁碳陶瓷強化銅基復合材料。
文檔編號C22C32/00GK101824559SQ20091001056
公開日2010年9月8日 申請日期2009年3月4日 優先權日2009年3月4日
發明者何靈峰, 周延春, 張潔 申請人:中國科學院金屬研究所