一種氧化鋁顆粒增強銅基復合材料及其制備方法和應用與流程

本發明涉及一種氧化鋁顆粒增強銅基復合材料及其制備方法和應用，屬于復合材料制備領域。

背景技術：

隨著科技的發展，單一材料的性能已很難滿足當代工業日益提升的需求。復合材料能夠綜合各組元的優點，使材料擁有更優良的綜合性能，拓寬材料的應用領域。復合材料中的金屬基復合材料是以金屬或者合金為基體的復合材料，憑借其結構輕量化和優異的導電導熱及耐磨性能，逐漸在陸上運輸、電子、熱控、航空航天、工業、消費產品等諸多領域脫穎而出，實現了商業化的應用，極大地促進了軍用和民用領域的高科技現代化，確立了其作為新材料和新技術的地位。

銅導電性和導熱性良好，同時也擁有不錯的可鍛性以及延展性，通常應用于制作各種導體材料，但是室溫及高溫下偏低的抗拉強度和斷裂強度使得它的應用受到了一定的限制。合金化法和復合材料法都能從一定程度上提高銅的強度性能。其中合金化法通過加入合金元素來強化銅基體，但是會嚴重降低銅的導電性能，復合材料法是通過加入第二強化相形成復合材料，它在提高銅的強度的同時，對其導電性的影響相對較小，既能發揮增強體和基體的協同作用，又有很大的設計自由度，成為獲得導電性能和其他性能優異的銅材的主要手段。銅基復合材料作為一種綜合性能突出的復合材料，在電力、電子和半導體等領域獲得了廣泛應用。

金屬基復合材料按增強體分類主要分為顆粒增強復合材料、片層狀復合材料以及纖維增強復合材料。其中顆粒增強金屬基復合材料具有較高的耐磨性、高溫力學性能和較低的熱膨脹系數，且制備工藝簡單、成本較低，因此近年來發展迅速。

現階段常用的顆粒增強體主要有氧化鋁、碳化硅、碳化鈦、碳化硼、氮化硅、石墨等陶瓷顆粒，其中以碳化硅和氧化鋁顆粒最為常見。氧化鋁顆粒以Al₂O₃為主要成分，有的還含有其他氧化物如SiO₂、B₂O₃等，其突出特點是擁有高強度、高模量、優異的絕熱性和抗氧化性；可以在更高溫度下保持好的抗拉強度；表面活性好，容易與金屬基體復合；原料成本低，生產工藝簡單，具有極高的性價比。

目前氧化鋁顆粒增強銅基復合材料的制備方法目前主要有兩類。第一類方法是原位自生成法。通過異種原子在銅基體內自發形核長大的方式，生長出所需要尺寸的增強體晶粒。其手段可以是添加元素使其生成顆粒，也可以是金屬化合物自發沉積形核。其優點是純凈無污染，結合也比較牢固，缺點是氧化鋁顆粒分散性得不到有效控制。第二類方法是粉末冶金法。通過將銅金屬粉末與增強體進行機械球磨混合，然后進行燒結制成塊體復合材料。其優點是基本不受基體與增強體種類限制，缺點是難以控制氧化鋁顆粒的分布，同時難以消除樣品的孔隙、污染等影響。

對于氧化鋁顆粒增強銅基復合材料，要獲得優良的綜合性能，一方面需要采用較高的氧化鋁顆粒體積分數，同時需要控制氧化鋁顆粒的分布以及與基體的良好結合。如上所述，不同的制備方法其優缺點都十分明顯，但值得注意的是，大多數制備方法中，在保證較高的氧化鋁顆粒體積分數同時，難以控制氧化鋁顆粒的分布，從而限制了復合材料的綜合性能。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服目前氧化鋁顆粒增強銅基復合材料制備方法的不足，并提供一種軋制變形復合法結合放電等離子燒結制備氧化鋁顆粒增強銅基復合材料的方法。

本發明提供的技術方案具體如下：

一種氧化鋁顆粒增強銅基復合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)取厚度均勻的純銅片，除去表面的氧化膜和油污；

(2)將納米級氧化鋁顆粒分散在乙醇中，超聲震蕩，得到氧化鋁顆粒-乙醇懸濁液；將氧化鋁顆粒-乙醇懸濁液均勻涂覆在處理好的純銅片表面，待乙醇完全揮發后，將多片涂有氧化鋁顆粒的純銅片重疊，涂有氧化鋁顆粒的一面保持朝向一致，然后將涂有氧化鋁顆粒的一面朝內進行對折，然后軋制1道次，每軋制1道次后進行對折，然后再軋制1道次，重復對折-軋制所需道次，每道次軋制樣品厚度的壓下量≥50％；

(3)在惰性氣體保護下，對軋制好的樣品進行放電等離子燒結，即得到氧化鋁顆粒增強銅基復合材料。

步驟(1)中純銅片的厚度為0.25mm。

步驟(2)中所述的氧化鋁顆粒的粒徑為471nm，氧化鋁顆粒的體積為純銅片的5％-15％。

步驟(2)中采用工業軋機進行軋制，軋制速度為187mm/min。

步驟(2)中將4片涂有氧化鋁顆粒的純銅片重疊后進行軋制，樣品共重復對折-軋制15道次。

步驟(3)中所述的惰性氣體為氬氣。

步驟(3)中的放電等離子燒結過程在石墨模具中進行，其中，燒結溫度為850℃，燒結保溫加壓時間為10min，燒結壓強為80MPa。

一種氧化鋁顆粒增強銅基復合材料，由上述制備方法制備得到。

所述的氧化鋁顆粒增強銅基復合材料，其硬度最高為純銅的2.9倍，電導率為79％IACS。

上述氧化鋁顆粒增強銅基復合材料作為高耐磨導電材料的應用。

本發明的原理主要為：將氧化鋁顆粒涂敷在銅片表面，在室溫無潤滑的條件下對其進行連續多次軋制。隨著軋制次數的增加，氧化鋁隨著軋制過程中樣品的延長而在軋制面上逐漸分散，同時在樣品厚度方向也逐漸分散，最終可以在固態下獲得氧化鋁顆粒在銅基體中的良好分散效果。由于軋制態樣品存在較多裂紋，為進一步提高樣品致密度、消除多道次軋制引入的裂紋，將軋制好的樣品進行放電等離子燒結處理，由于放電等離子燒結具有燒結時間短的特點，有利于防止高溫過程中氧化鋁顆粒的團聚與長大。

本發明使用的方法具有工藝簡單、操作簡便，適合工業化生產等優點，所制得的氧化鋁顆粒增強銅基復合材料性能優良并且根據使用要求可以調整本發明中氧化鋁顆粒體積分數以制備具有不同微觀結構及綜合性能的復合材料。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

1.本發明方法簡單，只需要多道次軋制及放電等離子燒結處理。原材料為純銅和氧化鋁顆粒，設備為工業軋機和放電等離子燒結爐，工藝簡單，可以實現工業規模化生產。

2.本發明的方法所制得銅/氧化鋁復合材料性能優良，并且可以通過調整氧化鋁顆粒體積分數來改變復合材料的微觀結構，獲得不同綜合性能的氧化鋁顆粒增強銅基復合材料。

附圖說明

圖1為本發明實施例1中得到的氧化鋁顆粒增強銅基復合材料縱截面的金相照片

圖2為本發明實施例2中得到的氧化鋁顆粒增強銅基復合材料縱截面的金相照片。

圖3為本發明實施例3中得到的氧化鋁顆粒增強銅基復合材料縱截面的金相照片。

圖4為本發明實施例4中得到的氧化鋁顆粒增強銅基復合材料縱截面的金相照片。

具體實施方式

以下結合附圖和具體的實施例對本發明的技術方案作進一步詳細說明，僅在于說明本發明而不限制本發明。

實施例1

以氧化鋁顆粒為增強體、純銅片為基體。本實施例中銅板牌號為TU1，尺寸：長200mm，寬20mm，厚0.25mm。氧化鋁顆粒大小為471nm。采用工業軋機，軋制速度為187mm/min。

首先，切取200×20×0.25mm大小的純銅片，并對樣品表面進行打磨和清理。

根據所使用的純銅片的體積，經計算后將體積分數為5％的氧化鋁顆粒加入到適量乙醇中并使用超聲波清洗儀使氧化鋁顆粒均勻混合在乙醇中形成氧化鋁顆粒-乙醇懸濁液。將氧化鋁顆粒-乙醇懸濁液均勻地傾倒至所需純銅片的表面。待乙醇揮發完以后，將4片涂有氧化鋁顆粒的純銅片重疊，保持涂有氧化鋁顆粒的一面朝向一致，然后將涂有氧化鋁顆粒的一面朝內進行對折，壓緊對折處。使用對折的不銹鋼板夾持純銅片并將其送入兩軋輥間軋制，調節兩個軋輥的間距，保證樣品壓下量約為50％。每軋完一次，沿軋制方向對折，再進行軋制。重復上述步驟(對經過軋制的銅片進行表面處理，不再添加氧化鋁顆粒)，進行軋制，直至軋制道次達到15次。

將軋制好的樣品進行放電等離子燒結處理，其中燒結溫度為850℃、燒結保溫加壓時間為10min、燒結壓強為80MPa，燒結過程中對樣品通氬氣保護防止其氧化。

圖1為本發明實施例1中，經15道次軋制并采用放電等離子燒結工藝得到的氧化鋁顆粒增強銅基復合材料縱截面的金相照片，從圖1可以看出，試樣中沒有明顯孔隙，同時氧化鋁顆粒分布比較均勻。

本實施例中經過15道次軋制并采用放電等離子燒結工藝，最終得到的氧化鋁顆粒增強銅基復合材料顯微硬度為94.4HV，是原始純銅顯微硬度(49.0HV)的1.9倍。

實施例2

以氧化鋁顆粒為增強體、純銅片為基體。本實施例中銅板牌號為TU1，尺寸：長200mm，寬20mm，厚0.25mm。氧化鋁顆粒大小為471nm。采用工業軋機，軋制速度為187mm/min。

首先，切取200×20×0.25mm大小的純銅片，并對樣品表面進行打磨和清理。

根據所使用的純銅片的體積，經計算后將體積分數為6％的氧化鋁顆粒加入到適量乙醇中并使用超聲波清洗儀使氧化鋁顆粒均勻混合在乙醇中形成氧化鋁顆粒-乙醇懸濁液。將氧化鋁顆粒-乙醇懸濁液均勻地傾倒至所需純銅片的表面。待乙醇揮發完以后，將4片涂有氧化鋁顆粒的純銅片重疊，保持涂有氧化鋁顆粒的一面朝向一致，然后將涂有氧化鋁顆粒的一面朝內進行對折，壓緊對折處。使用對折的不銹鋼板夾持純銅片并將其送入兩軋輥間軋制，調節兩個軋輥的間距，保證樣品壓下量約為50％。每軋完一次，沿軋制方向對折，再進行軋制。重復上述步驟(對經過軋制的銅片進行表面處理，不再添加氧化鋁顆粒)，進行軋制，直至軋制道次達到15次。

將軋制好的樣品進行放電等離子燒結處理，其中燒結溫度為850℃、燒結保溫加壓時間為10min、燒結壓強為80MPa，燒結過程中對樣品通氬氣保護防止其氧化。

圖2為本發明實施例2中，經15道次軋制并采用放電等離子燒結工藝得到的氧化鋁顆粒增強銅基復合材料縱截面的金相照片，從圖2可以看出，樣品中沒有明顯孔隙，氧化鋁顆粒分布均勻，沒有明顯的團聚現象發生。

本實施例中經過15道次軋制并采用放電等離子燒結工藝，最終得到的氧化鋁顆粒增強銅基復合材料顯微硬度為96.9HV，是原始純銅顯微硬度(49.0HV)的近2.0倍。

實施例3

以氧化鋁顆粒為增強體、純銅片為基體。本實施例中銅板牌號為TU1，尺寸：長200mm，寬20mm，厚0.25mm。氧化鋁顆粒大小為471nm。采用工業軋機，軋制速度為187mm/min。

首先，切取200×20×0.25mm大小的純銅片，并對樣品表面進行打磨和清理。

根據所使用的純銅片的體積，經計算后將體積分數為10％的氧化鋁顆粒加入到適量乙醇中并使用超聲波清洗儀使氧化鋁顆粒均勻混合在乙醇中形成氧化鋁顆粒-乙醇懸濁液。將氧化鋁顆粒-乙醇懸濁液均勻地傾倒至所需純銅片的表面。待乙醇揮發完以后，將4片涂有氧化鋁顆粒的純銅片重疊，保持涂有氧化鋁顆粒的一面朝向一致，然后將涂有氧化鋁顆粒的一面朝內進行對折，壓緊對折處。使用對折的不銹鋼板夾持純銅片并將其送入兩軋輥間軋制，調節兩個軋輥的間距，保證樣品壓下量約為50％。每軋完一次，沿軋制方向對折，再進行軋制。重復上述步驟(對經過軋制的銅片進行表面處理，不再添加氧化鋁顆粒)，進行軋制，直至軋制道次達到15次。

將軋制好的樣品進行放電等離子燒結處理，其中燒結溫度為850℃、燒結保溫加壓時間為10min、燒結壓強為80MPa，燒結過程中對樣品通氬氣保護防止其氧化。

圖3為本發明實施例3中，經15道次軋制并采用放電等離子燒結工藝得到的氧化鋁顆粒增強銅基復合材料縱截面的金相照片，從圖3可以看出，樣品中沒有明顯孔隙，氧化鋁顆粒總體分布比較均勻。

本實施例中經過15道次軋制并采用放電等離子燒結工藝，最終得到的氧化鋁顆粒增強銅基復合材料顯微硬度為104.7HV，是原始純銅顯微硬度(49.0HV)的近2.1倍。

實施例4

以氧化鋁顆粒為增強體、純銅片為基體。本實施例中銅板牌號為TU1，尺寸：長200mm，寬20mm，厚0.25mm。氧化鋁顆粒大小為471nm。采用工業軋機，軋制速度為187mm/min。

首先，切取200×20×0.25mm大小的純銅片，并對樣品表面進行打磨和清理。

根據所使用的純銅片的體積，經計算后將體積分數為15％的氧化鋁顆粒加入到適量乙醇中并使用超聲波清洗儀使氧化鋁顆粒均勻混合在乙醇中形成氧化鋁顆粒-乙醇懸濁液。將氧化鋁顆粒-乙醇懸濁液均勻地傾倒至所需純銅片的表面。待乙醇揮發完以后，將4片涂有氧化鋁顆粒的純銅片重疊，保持涂有氧化鋁顆粒的一面朝向一致，然后將涂有氧化鋁顆粒的一面朝內進行對折，壓緊對折處。使用對折的不銹鋼板夾持純銅片并將其送入兩軋輥間軋制，調節兩個軋輥的間距，保證樣品壓下量約為50％。每軋完一次，沿軋制方向對折，再進行軋制。重復上述步驟(對經過軋制的銅片進行表面處理，不再添加氧化鋁顆粒)，進行軋制，直至軋制道次達到15次。

將軋制態樣品進行放電等離子燒結處理，其中燒結溫度為850℃、燒結保溫加壓時間為10min、燒結壓強為80MPa，燒結過程中對樣品通氬氣保護防止其氧化。

圖4為本發明實施例4中，經15道次軋制并采用放電等離子燒結工藝得到的氧化鋁顆粒增強銅基復合材料縱截面的金相照片，從圖4可以看出，樣品中沒有明顯孔隙，氧化鋁顆粒總體分布比較均勻。

本實施例中經過15道次軋制并采用放電等離子燒結工藝，最終得到的氧化鋁顆粒增強銅基復合材料顯微硬度為141.3HV，是原始純銅顯微硬度(49.0HV)的近2.9倍。同時導電性能測試結果表明，Cu-15％Al₂O₃復合材料的電導率為79％IACS，具有良好的導電性能。對Cu-15％Al₂O₃復合材料進行軋制延展性測試表明，所得氧化鋁增強銅基復合材料的軋制延展性與純銅及不銹鋼接近，具備良好的塑韌性。