一种颗粒增强铜基复合材料及其制备方法

1.本发明涉及金属复合材料技术领域，具体为一种颗粒增强铜基复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.金属铜(cu)是人类最早使用的金属之一，其具有导热性和导电性高、延展性好、耐腐蚀性好、成形加工性优异等突出特点，从而广泛应用于电缆和电气、电子元件、军工破甲武器、电磁炮轨道等领域。然而，随着科技发展日新月异，金属铜的使用范围越来越广，相应对其使用要求越来越高，如航天飞行器、深空探测器、远洋输送、高速列车等装备领域。单一金属铜已难以满足人类的发展需求，在此背景下，各种各样的铜合金或铜基复合材料应运而生。在实际工况中，各种因素交互作用，对材料的服役性能要求非常高，比如受电、磨损、腐蚀和辐射交互作用的苛刻工况，要求材料具有良好的综合性能，如导电性好、强度高、硬度高、耐磨损、耐腐蚀、耐辐射等，实现结构与功能的一体化，而现有材料难以满足要求。
3.从铜基复合材料发展趋势来看，在铜基体中引入第二相可获得综合性能良好的铜基复合材料。二硼化钨(wb2)具有超高硬度(≥40gpa)，可与自然界最硬材料金刚石相媲美，另外还具有高强度、高导电性、优异的耐磨性、高耐腐蚀性、防辐射能力强等特性。若将二硼化钨(wb2)引入到cu基体中，并采用一定的成形方法，制备出二硼化钨(wb2)颗粒增强铜基复合材料，有望获得兼具高导电、高强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀和耐辐射等优异综合性能的结构功能一体化铜基复合材料。目前，这种材料尚未见相关公开报道。然而，二硼化钨(wb2)具有特殊的层片状晶体结构和较高的共价键，另外，cu与二硼化钨(wb2)熔点相差较大，因此，若想制备出高致密高均匀等高性能cu-wb2材料，对工艺技术控制要求严格。申请人经大量科学实验并认真总结，发明了结构功能一体化高性能cu-wb2材料的制备方法。
4.中国专利cn102677069a公开了一种高性能铜合金复合整体触头材料及其制备方法，首先对qcr0.5铜合金棒进行预处理，然后在qcr0.5铜合金棒表面喷涂由tic、la2o3、w和cu组成的热喷涂粉末，在qcr0.5铜合金棒表面制得热喷涂预置层；将预置有热喷涂预置层的qcr0.5铜合金棒放入真空高频感应熔焊炉中进行表面重熔处理，依次从qcr0.5铜合金棒的一端移动至另一端，之后冷却；再经固溶和时效处理，制得高性能铜合金复合整体触头材料。制备工艺非常复杂且工序不易控制，另外由于陶瓷相tic和la2o3以及w相的熔点与cu相相差太远，重熔不彻底或不均匀将严重影响材料性能，同时生产成本较高，将极大限制其推广应用。该发明材料在一定程度上可提高铜的强度和抗电弧烧蚀能力，但该材料表面涂层较薄，易脱落，摩擦磨损工况服役寿命有限。
5.中国专利cn113151706a公开了一种低摩擦系数wb2/cusn10复合材料的制备方法，将cu粉、sn粉和wb2粉末机械混合得到混合粉末；用冷等静压法进行压坯；将坯体进行真空热压烧结、降温冷却，得到wb2/cusn10复合材料；冷轧后得到wb2/cusn10复合材料。该发明添加wb2主要目的是改善cusn10的摩擦磨损性能。然而该发明工艺包含机械干混-冷等静压-真空烧结-冷轧等一系列流程，每一个工序控制不好，均会影响材料性能，工艺控制难度较
大。尤其是机械干粉混合阶段很容易造成成分不均匀和引入杂质，以致影响后续材料的性能。众所周知，冷轧变形参数很多，包括轧前厚度宽度长度、轧后厚度宽度长度、压下量(变形量)、轧制力、工作辊径、轧制道次、每道次压下率等，各参数均会影响材料的最终性能。然而，该专利对冷轧塑性变形工艺描述非常模糊，仅仅给出变形量20～40％，对其它参数没有提及，可操作性不强。


技术实现要素：

6.鉴于现有技术中所存在的问题，本发明公开了一种颗粒增强铜基复合材料，包含的成分及重量百分比分别为：二硼化钨为3～5％，其余的为铜。
7.一种颗粒增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、按照重量配比称取铜粉和二硼化钨粉，装入陶瓷球磨罐，磨球采用高纯二硼化钨球，直径3mm，同时以无水乙醇和丙酮为分散介质，无水乙醇和丙酮的体积比为1:1；步骤二、将经步骤一处理的陶瓷球磨罐放入卧式球磨机进行球磨，球磨时间1.5-2.5小时，球磨结束后以400目筛网将磨球过滤出，将粉体真空干燥，真空度10-2
pa，干燥时间18小时，得混合粉体，取出填充到不锈钢模具中，不锈钢模具内壁预先涂抹一层hbn粉，防止粘料和方便后续脱模；步骤三、将经步骤二填充的不锈钢模具放到热等静压炉内进行烧结，烧结温度为750-760℃，烧结气氛为高纯氩气，烧结压力为150-160mpa，保温、保压时间0.5-0.6h，烧结完成后随炉降温冷却，得到颗粒增强铜基复合材料。
8.作为本发明的一种优选方案，步骤一所述铜粉和二硼化钨粉的纯度均大于99.99％。
9.作为本发明的一种优选方案，步骤一所述铜粉的粒度≤200nm，二硼化钨粉的粒度≤30nm。
10.作为本发明的一种优选方案，步骤二所述hbn粉的厚度为1-3μm。
11.作为本发明的一种优选方案，步骤三所述热等静压炉的升温速度为65℃-75℃/min。
12.本发明的有益效果：本发明制备的颗粒增强铜基复合材料的工艺简单高效，生产周期短；所制备的颗粒增强铜基复合材料的综合性能指标良好，其电导率高达91.6％iacs，最高致密度达99.99％，抗拉强度高达758mpa，基体显微硬度高达225hv。可满足受电、摩擦、磨损、腐蚀和辐射交互作用的苛刻工况服役要求，在航天飞行器、深空探测器、远洋输送、高速列车等装备领域具有十分广阔的应用前景。
具体实施方式
13.实施例1
14.本发明所述的一种颗粒增强铜基复合材料的制备方法如下：步骤一、选用纯度和粒度分别为99.999％和80nm的铜(cu)粉和纯度和粒度分别为99.999％和10nm二硼化钨(wb2)粉为原料，重量比控制在95:5，采用高精天平称重后，装入陶瓷球磨罐，磨球采用直径为3mm的高纯二硼化钨球，同时以无水乙醇和丙酮为分散介质，无水乙醇和丙酮的体积比为1:1；
步骤二、将陶瓷球磨罐放入卧式球磨机进行球磨，球磨时间2.5h，球磨结束后以400目筛网将磨球过滤出，将粉体真空干燥，真空度10-2
pa，干燥时间18小时，得混合粉体，取出填充到不锈钢制模具中，不锈钢模具内壁预先涂抹一层厚度为3μm的hbn粉，防止粘料和方便后续脱模；步骤三、将不锈钢模具放到热等静压炉内进行烧结，烧结温度为760℃，升温速度为65℃/min，烧结气氛为高纯氩气，烧结压力为160mpa，保温、保压时间为0.6小时，烧结完成后随炉降温冷却，得到颗粒增强铜基复合材料。
15.对得到的颗粒增强铜基复合材料进行性能测试，其电导率达91.6％iacs，致密度达99.99％，抗拉强度达519mpa，基体显微硬度为225hv。
16.实施例2
17.本发明所述的一种颗粒增强铜基复合材料的制备方法如下：步骤一、选用纯度和粒度分别为99.999％和200nm的铜(cu)粉和纯度和粒度分别为99.999％和30nm二硼化钨(wb2)粉为原料，重量比控制在97:3，采用高精天平称重后，装入陶瓷球磨罐，磨球采用直径为3mm的高纯二硼化钨球，同时以无水乙醇和丙酮为分散介质，无水乙醇和丙酮的体积比为1:1；步骤二、将陶瓷球磨罐放入卧式球磨机进行球磨，球磨时间1.5h，球磨结束后以400目筛网将磨球过滤出，将粉体真空干燥，真空度10-2
pa，干燥时间18小时，得混合粉体，取出填充到不锈钢制模具中，不锈钢模具内壁预先涂抹一层厚度为1μm的hbn粉，防止粘料和方便后续脱模；步骤三、将不锈钢模具放到热等静压炉内进行烧结，烧结温度为750℃，升温速度为75℃/min，烧结气氛为高纯氩气，烧结压力为150mpa，保温、保压时间为0.5小时，烧结完成后随炉降温冷却，得到颗粒增强铜基复合材料。
18.对得到的颗粒增强铜基复合材料进行性能测试，其电导率达87.6％iacs，致密度达99.96％，抗拉强度达489mpa，基体显微硬度为195hv。
19.实施例3
20.本发明所述的一种颗粒增强铜基复合材料的制备方法如下：步骤一、选用纯度和粒度分别为99.999％和100nm的铜(cu)粉和纯度和粒度分别为99.999％和20nm二硼化钨(wb2)粉为原料，重量比控制在96:4，采用高精天平称重后，装入陶瓷球磨罐，磨球采用直径为3mm的高纯二硼化钨球，同时以无水乙醇和丙酮为分散介质，无水乙醇和丙酮的体积比为1:1；步骤二、将陶瓷球磨罐放入卧式球磨机进行球磨，球磨时间2h，球磨结束后以400目筛网将磨球过滤出，将粉体真空干燥，真空度10-2
pa，干燥时间18小时，得混合粉体，取出填充到不锈钢制模具中，不锈钢模具内壁预先涂抹一层厚度为2μm的hbn粉，防止粘料和方便后续脱模；步骤三、将不锈钢模具放到热等静压炉内进行烧结，烧结温度为755℃，升温速度为70℃/min，烧结气氛为高纯氩气，烧结压力为155mpa，保温、保压时间为0.55小时，烧结完成后随炉降温冷却，得到颗粒增强铜基复合材料。
21.对得到的颗粒增强铜基复合材料进行性能测试，其电导率达89.3％iacs，致密度达99.97％，抗拉强度达497mpa，基体显微硬度为205hv。
22.本文中未详细说明的部分为现有技术。
23.上述虽然对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，而不具备创造性劳动的修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

技术特征：
1.一种颗粒增强铜基复合材料，其特征在于，包含的成分及重量百分比分别为：二硼化钨为3～5％，其余的为铜。2.权利要求1所述的一种颗粒增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、按照重量配比称取铜粉和二硼化钨粉，装入陶瓷球磨罐，磨球采用高纯二硼化钨球，直径3mm，同时以无水乙醇和丙酮为分散介质，无水乙醇和丙酮的体积比为1:1；步骤二、将经步骤一处理的陶瓷球磨罐放入卧式球磨机进行球磨，球磨时间1.5-2.5小时，球磨结束后以400目筛网将磨球过滤出，将粉体真空干燥，真空度10-2
pa，干燥时间18小时，得混合粉体，取出填充到不锈钢模具中，不锈钢模具内壁预先涂抹一层hbn粉，防止粘料和方便后续脱模；步骤三、将经步骤二填充的不锈钢模具放到热等静压炉内进行烧结，烧结温度为750-760℃，烧结气氛为高纯氩气，烧结压力为150-160mpa，保温、保压时间0.5-0.6h，烧结完成后随炉降温冷却，得到颗粒增强铜基复合材料。3.根据权利要求2所述的一种颗粒增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤一所述铜粉和二硼化钨粉的纯度均大于99.99％。4.根据权利要求2所述的一种颗粒增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤一所述铜粉的粒度≤200nm，二硼化钨粉的粒度≤30nm。5.根据权利要求2所述的一种颗粒增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤二所述hbn粉的厚度为1-3μm。6.根据权利要求2所述的一种颗粒增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤三所述热等静压炉的升温速度为65℃-75℃/min。

技术总结
本发明涉及一种颗粒增强铜基复合材料及其制备方法，其中原料重量百分比的组分为WB23～5％，其余的为铜。所述制备方法为：首先选择高纯Cu粉和WB2粉，采用高精天平称重后，混合均匀，填充到不锈钢制模具中，然后将模具放到热等静压炉内进行烧结成型，烧结温度为750-760℃，烧结压力为150-160MPa，保温、保压时间0.5-0.6h，烧结完成后随炉降温冷却，得到产品。本发明工艺过程简单高效，所制备的铜基复合材料具有良好的综合性能，可用于受电、磨损、腐蚀和核辐射交互作用的苛刻工况，在航天飞行器、深空探测器、远洋输送、高速列车等装备领域具有十分广阔的应用前景。分广阔的应用前景。


技术研发人员：李秀青 魏世忠 杨晴霞 王琪 娄文鹏 张倩 周玉成 徐流杰 潘昆明 张国赏 江涛 陈冲 毛丰 张程 熊美 任永鹏
受保护的技术使用者：河南科技大学
技术研发日：2021.12.06
技术公布日：2022/3/8