專利名稱：一種原位納米TiC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)明屬于新型顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是涉及一種新的原位納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)銅或銅合金基復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著我國高速列車、電力、電子、通訊等領(lǐng)域的高速、可持續(xù)發(fā)展，對材料綜合性能的要求越來越高。由于陶瓷-金屬基復(fù)合材料能夠?qū)⒔饘倭己玫膶?dǎo)熱、導(dǎo)電及好的塑性與陶瓷的耐高溫、耐磨損及耐腐蝕性有效的結(jié)合起來，因而得到了廣泛關(guān)注。通常來講，作為增強(qiáng)相的陶瓷顆粒的尺寸越小，則增強(qiáng)效果越好。因此，制備納米尺寸，即小于100納米的陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料已經(jīng)成為復(fù)合材料一個重要發(fā)展的方向。然而目前，世界上未見關(guān)于采用燃燒合成化學(xué)反應(yīng)法與熱壓技術(shù)，制備原位納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)銅或銅合金基復(fù)合材料制備方法的報道。尤其是采用碳納米管作為燃燒合成納米TiC陶瓷顆粒碳源的報道。采用燃燒合成化學(xué)反應(yīng)法與熱壓技術(shù)，制備原位納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)銅或銅合金基復(fù)合材料制備方法與外加納米TiC陶瓷顆粒的粉末冶金法、攪拌鑄造法、無壓或壓力侵滲法、擠壓鑄造法等方法相比，具有如下諸多優(yōu)點納米TiC陶瓷顆粒不需要單獨制備、 其表面純凈、與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度高、分布均勻、基體雜質(zhì)含量少等。

發(fā)明內(nèi)容
目前，世界上采用Cu-Ti-C體系，碳源采用傳統(tǒng)的石墨或碳黑，通過燃燒合成化學(xué)反應(yīng)法與熱壓技術(shù)，制備的原位TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)銅或銅合金基復(fù)合材料的TiC陶瓷顆粒尺寸一般在1-5微米，重量百分比含量在50以上。做不到TiC陶瓷顆粒尺寸小于100納米， 重量百分比含量在3-30。本發(fā)明的目的是提供一種新的原位納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)銅或銅合金基復(fù)合材料及其制備方法。制備的原位TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)銅或銅合金基復(fù)合材料的TiC陶瓷顆粒尺寸在100納米以下，重量百分比含量在3-30。其技術(shù)關(guān)鍵是采用燃燒合成化學(xué)反應(yīng)法與熱壓技術(shù)，制備原位納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)銅或銅合金基復(fù)合材料的Cu-Ti-C燃燒合成化學(xué)反應(yīng)體系的碳源，首次采用碳納米管取代傳統(tǒng)的石墨或碳黑。實現(xiàn)采用燃燒合成化學(xué)反應(yīng)法與熱壓技術(shù)，制備的原位TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)銅或銅合金基復(fù)合材料的TiC陶瓷顆粒尺寸在100納米以下，重量百分比含量在 3-30。本發(fā)明的技術(shù)方案是采用燃燒合成化學(xué)反應(yīng)法與熱壓技術(shù)，制備原位納米TiC 陶瓷顆粒增強(qiáng)銅或銅合金基復(fù)合材料，原位反應(yīng)合成的TiC陶瓷顆粒的尺寸在100納米以下，含量重量百分比在3-30。其制備方法與工藝步驟1)反應(yīng)體系
純銅-鈦-碳納米管；銅合金-鈦-碳納米管銅合金包括Cu-O. 05 0. 5Zr, Cu-O. 4 1. 2Cr其中，反應(yīng)用Cu粉、Ti粉、Zr粉和Cr粉的粒度均為48微米，而碳納米管的長度約為30微米，直徑為20-30納米。2)反應(yīng)物壓坯的制備步驟1配料取Ti粉，碳納米管，和銅或銅合金中對應(yīng)元素的粉料配料，其中，鈦和碳納米管的比例按摩爾比為1 1，基體銅或銅合金含量重量百分比為70-97;步驟2混料將配好的粉料在滾筒式球磨機(jī)內(nèi)混合6 8小時，隨后將混合后的粉末在研缽中手混15 20分鐘使粉末混合均勻；步驟3壓制成型取混合后的粉料放入模具中，在室溫下壓制成直徑為觀士0. 5 毫米、高度為40-50毫米的圓柱形反應(yīng)預(yù)制塊，預(yù)制塊密度為混合粉料理論密度的 70士5. 0% ；步驟4 納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)純銅或銅合金基復(fù)合材料的制備將預(yù)制塊放入石墨模具中，然后在預(yù)制塊上端部位放入一高強(qiáng)度石墨壓桿，將裝有預(yù)制塊的石墨模具放入一帶有液壓裝置的氬氣氣氛保護(hù)的燃燒反應(yīng)爐中以40度每分鐘的升溫速率將預(yù)制塊加熱至800 1000攝氏度，引發(fā)燃燒反應(yīng)，一旦燃燒反應(yīng)發(fā)生，立即對預(yù)制塊施加40士5. OMPa 的軸向壓力，保壓30 40秒后隨爐冷卻至室溫，制備出納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)純銅或銅合金基復(fù)合材料。本發(fā)明與目前已有的技術(shù)相比具有以下特點1)在燃燒合成反應(yīng)過程中，使用碳納米管作為碳源；2)在Cu或Cu合金基體重量百分比含量高達(dá)70-97時，TiC合成反應(yīng)仍然可以進(jìn)行并且產(chǎn)物純凈；3)納米TiC原位生成，不需要單獨制備；4)陶瓷顆粒表面純凈，與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度高；5)納米TiC陶瓷顆粒在基體中分布均勻；6)基體雜質(zhì)含量少。


圖1是實施例1成分TiC增強(qiáng)Cu基復(fù)合材料中納米TiC顆粒的場發(fā)射掃描電子顯微鏡照片圖2是實施例1成分TiC增強(qiáng)Cu基復(fù)合材料的X射線分析圖3是實施例4成分TiC增強(qiáng)Cu-0. IZr基復(fù)合材料中納米TiC顆粒的場發(fā)射掃描電子顯微鏡照片圖4是實施例4成分TiC增強(qiáng)Cu-0. IZr基復(fù)合材料的X射線分析圖5是實施例6成分TiC增強(qiáng)Cu-1. 2Cr基復(fù)合材料中納米TiC顆粒的場發(fā)射掃描電子顯微鏡照片圖6是實施例6成分TiC增強(qiáng)Cu-1. 2Cr基復(fù)合材料的X射線分析具體實施方式
以下通過實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。實施例1制備按重量百分比組分組成為TiC28、Cu72的納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料。取Cu粉、Ti粉和碳納米管配料。其中，Cu粉、Ti粉和碳納米管的比例按重量比為 72.0 22.4 5.6。將配好的粉料在滾筒式球磨機(jī)內(nèi)混合6 8小時，隨后將混合后的粉末在研缽中手混15 20分鐘使粉末混合均勻。取適當(dāng)混合后的粉料放入模具中，在室溫下壓制成直徑為觀士0. 5毫米、高度為40 50毫米的圓柱形反應(yīng)預(yù)制塊，預(yù)制塊密度為混合粉料理論密度的70 士 5. 0 %。將預(yù)制塊放入石墨模具中，然后在預(yù)制塊上端部位放入一高強(qiáng)度石墨壓桿。將裝有預(yù)制塊的石墨模具放入一帶有液壓裝置的真空/氣氛保護(hù)的燃燒反應(yīng)爐中以40度每分鐘的升溫速率將預(yù)制塊加熱至800 1000攝氏度，引發(fā)燃燒反應(yīng)。一旦燃燒反應(yīng)發(fā)生，立即對預(yù)制塊施加40士5. OMPa的軸向壓力，保壓30 40秒后隨爐冷卻至室溫。X射線結(jié)果表明產(chǎn)物純凈，而場發(fā)射結(jié)果表明其中生成的TiC顆粒的尺寸約為100 納米。實施例2制備按重量百分比組分組成為TiC24、Cu76的納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料。取Cu粉、Ti粉、碳納米管配料。其中，Cu粉、Ti粉和碳納米管的比例按重量比為 76.0 19.2 4.8。其制備方法同實施例1。X射線結(jié)果表明產(chǎn)物純凈，而場發(fā)射結(jié)果表明其中生成的TiC顆粒的尺寸約為90納米。實施例3制備按重量百分比組分組成為TiC20、Cu_0. IZr合金基體80的納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)銅合金基復(fù)合材料。取Cu粉、Ti粉、Ir粉、和碳納米管配料。其中，Cu粉、Ir粉、Ti粉和碳納米管的比例按重量比為79. 92 0.08 16.0 4.0。其制備方法同實施例1。X射線結(jié)果表明產(chǎn)物純凈，而場發(fā)射結(jié)果表明其中生成的TiC顆粒的尺寸約為70納米。實施例4制備按重量百分比組分組成為TiC15、Cu_0. 1 合金基體85的納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)銅合金基復(fù)合材料。取Cu粉、Ti粉、ττ粉、和碳納米管配料。其中，Cu粉、&粉、Ti粉和碳納米管的比例按重量比為84. 915 0. 085 12.0 3.0。其制備方法同實施例1。X射線結(jié)果表明產(chǎn)物純凈，而場發(fā)射結(jié)果表明其中生成的TiC顆粒的尺寸約為40納米。實施例5制備按重量百分比組分組成為TiC10、Cu_l. 2Cr合金基體90的納米TiC陶瓷顆粒
增強(qiáng)銅合金基復(fù)合材料。取Cu粉、Ti粉、Cr粉、和碳納米管配料。其中，Cu粉、Cr粉、Ti粉和碳納米管的比例按重量比為88. 92 1.08 8.0 2.0。其制備方法同實施例1。X射線結(jié)果表明產(chǎn)物純凈，而場發(fā)射結(jié)果表明其中生成的TiC顆粒的尺寸約為30納米。實施例6
制備按重量百分比組分組成為TiC5、Cu-1. 2Cr合金基體95的納米TiC陶瓷顆粒
增強(qiáng)銅合金基復(fù)合材料。取Cu粉、Ti粉、Cr粉、和碳納米管配料。其中，Cu粉、Cr粉、Ti粉和碳納米管的比例按重量比為93. 86 1.14 4.0 1.0。其制備方法同實施例1。X射線結(jié)果表明產(chǎn)物純凈，而場發(fā)射結(jié)果表明其中生成的TiC顆粒的尺寸約為15納米。
權(quán)利要求
1.一種原位納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)銅或銅合金基復(fù)合材料，其特征在于，采用燃燒合成化學(xué)反應(yīng)法與熱壓方式，原位制備出TiC陶瓷顆粒尺寸為小于100納米，其重量百分比含量為3-30的純銅或銅合金基復(fù)合材料，即增強(qiáng)相納米TiC顆粒的重量百分比含量為 3-30，基體純銅或銅合金的重量百分比含量為97-70，銅合金為Cu-O. 05 0. 5Zr合金或 Cu-O. 4 1. 2Cr 合金。
2.如權(quán)利要求1所述的一種納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)純銅或銅合金基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，工藝步驟為1)反應(yīng)體系純銅-鈦-碳納米管；銅合金-鈦-碳納米管銅合金包括 Cu-O. 05 0. 5Zr, Cu-O. 4 1. 2Cr其中，反應(yīng)用Cu粉、Ti粉、Zr粉和Cr粉的粒度均為48微米，而碳納米管的長度約為 30微米，直徑為20-30納米。2)反應(yīng)物壓坯的制備步驟1配料取Ti粉，碳納米管，和銅或銅合金中對應(yīng)元素的粉料配料，其中，鈦和碳納米管的比例按摩爾比為1 1，基體銅或銅合金含量重量百分比為70-97;步驟2混料將配好的粉料在滾筒式球磨機(jī)內(nèi)混合6 8小時，隨后將混合后的粉末在研缽中手混15 20分鐘使粉末混合均勻；步驟3 壓制成型取混合后的粉料放入模具中，在室溫下壓制成直徑為觀士0. 5 毫米、高度為40-50毫米的圓柱形反應(yīng)預(yù)制塊，預(yù)制塊密度為混合粉料理論密度的 70士5. 0% ；步驟4 納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)純銅或銅合金基復(fù)合材料的制備將預(yù)制塊放入石墨模具中，然后在預(yù)制塊上端部位放入一高強(qiáng)度石墨壓桿，將裝有預(yù)制塊的石墨模具放入一帶有液壓裝置的氬氣氣氛保護(hù)的燃燒反應(yīng)爐中以40度每分鐘的升溫速率將預(yù)制塊加熱至 800 1000攝氏度，引發(fā)燃燒反應(yīng)，一旦燃燒反應(yīng)發(fā)生，立即對預(yù)制塊施加40士5. OMI^a的軸向壓力，保壓30 40秒后隨爐冷卻至室溫，制備出納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)純銅或銅合金基復(fù)合材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種原位納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)銅或銅合金基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述銅合金包括Cu-0. IZr0
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種原位納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)銅或銅合金基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述銅合金包括Cu-1. 2Cr。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種原位納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料及其制備方法。采用燃燒合成化學(xué)反應(yīng)法與熱壓技術(shù)，制備原位納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)銅或銅合金基復(fù)合材料，原位反應(yīng)合成的TiC陶瓷顆粒的尺寸在100納米以下，重量百分比含量在3-30。其制備方法為將反應(yīng)物粉料按比例混合制坯；先后將配料在滾筒式球磨機(jī)研缽中混合均勻；在室溫下壓制成反應(yīng)預(yù)制塊；將預(yù)制塊加熱引發(fā)燃燒反應(yīng)后立即對預(yù)制塊施加軸向壓力，保壓后隨爐冷卻至室溫，即合成納米TiC陶瓷顆粒增強(qiáng)純銅或銅合金基復(fù)合材料。本發(fā)明主要特點是納米TiC原位生成；陶瓷顆粒表面純凈，與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度高；納米TiC陶瓷顆粒在基體中分布均勻；基體雜質(zhì)含量少等。
文檔編號C22C1/05GK102242303SQ20111020956
公開日2011年11月16日 申請日期2011年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月26日
發(fā)明者周東帥, 姜啟川, 沈平, 王慧遠(yuǎn), 靳慎豹 申請人:吉林大學(xué)