一种纳米TiC
1.一种纳米TiC_0.5颗粒原位增强Cu-Al复合材料的制备方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:xa0步骤一配料xa0称取纯度为98.5%的Ti₂AlC粉0.74克、纯度为99.9%的Cu粉159.00克;xa0步骤二混料xa0将步骤一的配料混合,加入110毫升无水乙醇和320克玛瑙球,球磨混料2小时,以60°C烘干、将烘干的混合原料研碎、过100目筛;xa0步骤三冷压成型xa0将步骤二的混合原料在140MPa压强下,冷压成条形坯体;xa0步骤四烧结xa0将步骤三制备的条形坯体放入高温炉中的石墨模具中,在氩气保护下,以40°C/min的速率升温至1100°C,保温20min,以10°C/min的速率将炉温降至60°C,即得到纳米TiC_0.5颗粒原位增强Cu-Al复合材料;其中TiC_0.5的含量为0.59克,其余为Cu和Al;将上述的纳米TiC_0.5颗粒原位增强Cu-Al复合材料,加工成Φ10mm×30mm的试样,进行抗压缩强度测试;测得的压缩强度为173.30MPa,最大变形率为36.5%,导电率为61.8%IACS。xa0技术领域
本发明涉及一种纳米TiC_0.5颗粒原位增强Cu(Al)复合材料及其制备方法。xa0
背景技术
由一种或几种陶瓷相增强铜或铜合金所组成的复合材料,既有铜的良好导电性和导热性、高的强度和韧性,又具有陶瓷的耐高温、耐腐蚀、耐磨损等特性,在电工、化工、交通、机械等领域有广泛的用途,被广泛应用到电触头、电器开关、热交换器等领域。然而,铜与大多数陶瓷之间的界面润湿性较差,使得陶瓷增强Cu基复合材料的制备比较困难。xa0近年来,纳米颗粒增强铜基复合材料,使其达到优异的力学、摩擦学特性,引起广泛关注。然而,将增强相颗粒直接加到铜基体中的传统制备方法,增强相颗粒往往不能均匀分散在铜基体中,且成本较高。因此,既能与铜有强的界面结合,又具有纳米颗粒增强效果,并且制备过程经济的材料是研究者们所一直追求的。xa0近年来,三元层状陶瓷材料Ti₂AlC受到了材料科学工作者的广泛重视。它兼具金属和陶瓷的优点,如像金属一样具有好的导电性和导热性,相对较软、抗热震,高温下表现为塑性;像陶瓷一样,有良好的抗氧化性,耐腐蚀,高温下能保持较高的强度。Ti₂AlC的晶体结构最早由Jeitschko和Nowotny测定,其晶体结构为六方晶系,空间群为P63/mmc,晶格参数为a=0.307nm,c=1.769nm,理论密度为4.11g/cm³。紧密堆积的Ti八面体层被一平面层Al原子所分隔,Ti八面体中心为碳原子,且每两层就有一层Al原子层,过渡金属原子Ti与C原子之间形成八xa0面体,C原子位于八面体的中心,Ti原子和C原子之间的结合为强共价键;而Ti原子和Al族平面之间为弱结合,因此,垂直于c轴的层与层之间在剪应力的作用下容易发生滑动。(参考文献:Jeitschkoxa0W,Nowotnyxa0Hxa0etxa0al.Monatashxa0Chem.1963,94:672)。如此特殊的结构使研究者想到,如果Ti₂AlC与Cu复合,由于Cu与Al的强固溶力,很有可能破坏Ti₂AlC中较弱结合的Al原子层,使其溶出而进入Cu溶液中。这样,Ti₂AlC颗粒将被分解而形成超细颗粒增强Cu基材料,这也正是研究者所要追求的。xa0
发明内容
本发明的目的在于提供一种以Ti₂AlC粉和纯铜粉为原料制成的纳米TiC_0.5颗粒原位增强Cu(Al)复合材料及其制备方法。本发明所要解决的技术问是,现有的陶瓷颗粒与铜的界面结合弱,颗粒尺度大的问题。xa0本发明的技术方案:xa0本发明的纳米TiC_0.5颗粒原位增强Cu(Al)复合材料,其成分如下:xa0TiC_0.5xa0xa00.37~25.22wt%,xa0Cuxa0xa068.46~99.54wt%,xa0Alxa0xa00.09~6.32wt%。xa0本发明的纳米TiC_0.5颗粒原位增强Cu(Al)复合材料,其显微结构如下:xa0原料的Ti₂AlC颗粒分解,Al溶出进入Cu中,形成Cu(Al)合金。Ti₂AlC分解形成50~150nm的TiC_0.5颗粒,均匀增强Cu(Al)合金复合材料。xa0本发明的纳米TiC_0.5颗粒原位增强Cu(Al)复合材料,其力学性能和电学性能如下:xa0抗压缩强度:170~860MPa,xa0最大变形率:8~37%,xa0电导率:9~62%IACS。xa0本发明的纳米TiC_0.5颗粒原位增强Cu(Al)复合材料的制备方法,包括以下各步骤:xa0步骤一配料xa0将Ti₂AlC粉和纯铜(Cu)粉按以下比例配料:xa0Ti₂AlCxa0xa00.46~31.54wt.%,xa0Cuxa0xa068.46~99.54wt.%;xa0步骤二混料xa0每100克上述配料中加入70~120毫升的无水乙醇和200~400克的玛瑙球,球磨2~4小时,在烘箱中60~70°C烘干,将烘干的混合原料研碎,过80~200目筛;xa0步骤三冷压成型xa0将上述混料后的原料在140~180MPa压强下压制成任何形状的坯体;xa0步骤四烧结xa0将上述冷压成型的坯体放入高温炉,在氩气保护下,按10~40°C/min的升温速率,将炉温升至1100~1180°C,保温20~30min,以10~15°C/min的速率冷却,即得到本发明的纳米TiC_0.5颗粒原位增强Cu(Al)复合材料。xa0本发明所具有的有益效果:xa0本发明的纳米TiC_0.5颗粒原位增强Cu(Al)复合材料,其强度和电导率大大高于单相的Ti₂AlC材料,也高于普通的铜合金材料。其强度、最大变形率和电导率依Ti₂AlC和铜的原料配比而不同;Ti₂AlC的比例越大所制成的纳米TiC_0.5颗粒原位增强Cu(Al)复合材料的抗压缩强度越大而最大变形率和电导率越小。对于本发明的纳米TiC_0.5颗粒原位增强Cu(Al)复合材料的应用,可根据实际xa0的使用要求选取适当的Ti₂AlC和铜的原料配比。xa0本发明的纳米TiC_0.5颗粒原位增强Cu(Al)复合材料的制备方法,其主要的好处在于配方和制备工艺简单;按本发明的实施步骤,在烧结过程中Ti₂AlC中的Al被溶出,Ti₂AlC分解,层状结构被破坏,形成50~150nm的TiC_0.5颗粒增强Cu(Al)合金的显微结构,而这种特殊的原位纳米颗粒增强方式使得所制得的纳米TiC_0.5与Cu(Al)合金之间有很好的界面结合强度,这也是所制成的复合材料具有较高强度、较大的变形率和较高的电导率的基本原因。xa0本发明和发明名称“一种Ti₃C₂/Cu-Al金属材料及其制备方法”,专利号为ZL200510012150.5的发明专利相比,本发明的纳米TiC_0.5颗粒原位增强Cu(Al)复合材料其增强相不同,增强相显微结构形态不同。本发明的增强相TiC_0.5与Cu(Al)之间比Ti₃C₂与Cu(Al)之间具有更好的界面润湿性和界面结合强度,因而具有更高的电导率和压缩强度;同时均匀的纳米颗粒增强比Ti₃C₂/Cu(Al)金属陶瓷中长板状颗粒具有更大的变形率。因此本发明更适用于需要较高强度和电导率,同时需要有较大变形率的领域。xa0本发明的纳米TiC_0.5颗粒原位增强Cu(Al)复合材料可广泛用于机械、电工、交通、化工等领域,例如用于制造各种高性能的滚轮、集电环、电阻焊头、各种大功率开关或接触器的触头、滑块等。xa0本发明的纳米TiC_0.5颗粒原位增强Cu(Al)复合材料在常压下烧结就能获得,很适合大尺寸的或复杂形状的器件的工业化生产。xa0
附图说明
图1和图2是本发明的不同含量纳米TiC_0.5颗粒原位增强Cu(Al)复合材料显微结构的扫描电子显微镜(SEM)照片。xa0
具体实施方式
实施方式一xa0步骤一配料xa0称取纯度为98.5%的Ti₂AlC粉0.74克、纯度为99.9%的Cu粉159.00克。xa0步骤二混料xa0将步骤一的配料混合,加入110毫升无水乙醇和320克玛瑙球,球磨混料2小时,以60°C烘干、将烘干的混合原料研碎、过100目筛。xa0步骤三冷压成型xa0将步骤二的混合原料在140MPa压强下,冷压成条形坯体。xa0步骤四烧结xa0将步骤三制备的条形坯体放入高温炉中的石墨模具中,在氩气保护下,以40°C/min的速率升温至1100°C,保温20min,以10°C/min的速率将炉温降至60°C,即得到本发明的纳米TiC_0.5颗粒原位增强Cu(Al)复合材料;其中TiC_0.5的含量约为0.59克,其余为Cu和Al(Cu含量为159.00克,Al含量约为0.15克)。xa0将上述的纳米TiC0.5颗粒原位增强Cu(Al)复合材料,加工成Φ10mm×30mm的试样,进行抗压缩强度测试;测得的压缩强度为173.30MPa,最大变形率为36.5%,导电率为61.8%IACS。xa0实施方式二xa0步骤一配料xa0称取纯度为99.0%的Ti₂AlC粉2.96克、纯度为99.9%的Cu粉25.64克。xa0步骤二混料xa0将步骤一的配料混合,加入20毫升无水乙醇和60克玛瑙球,球磨混料2xa0小时,以60°C烘干、将烘干的混合原料研碎、过80目筛。xa0步骤三冷压成型xa0将步骤二的混合原料在160MPa压强下,冷压成条形坯体。xa0步骤四烧结xa0将步骤三制备的条形坯体放入高温炉中的石墨模具中,在氩气保护下,以30°C/min的速率升温至1130°C,保温20min,以10°C/min的速率将炉温降至60°C,即得到本发明的纳米TiC_0.5颗粒原位增强Cu(Al)复合材料;其中TiC_0.5的含量约为2.37克,其余为Cu和Al(Cu含量为25.64克,Al含量约为0.59克)。xa0将上述的纳米TiC_0.5颗粒原位增强Cu(Al)复合材料,加工成Φ10mm×30mm的试样,进行抗压缩强度测试;测得的压缩强度为332.40MPa,最大变形率为28.6%,电导率为47.1%IACS。xa0实施方式三xa0步骤一配料xa0称取纯度为99.0%的Ti₂AlC粉4.44克、纯度为99.9%的Cu粉22.43克。xa0步骤二混料xa0将步骤一的配料混合,加入20毫升无水乙醇和60克玛瑙球,球磨混料3小时,以70°C烘干、将烘干的混合原料研碎、过110目筛。xa0步骤三冷压成型xa0将步骤二的混合原料在160MPa压强下,冷压成条形坯体。xa0步骤四烧结xa0将步骤三制备的条形坯体放入高温炉中的石墨模具中,在氩气保护下,以30°C/min的速率升温至1150°C,保温30min,以15°C/min的速率将炉温降至xa060°C,即得到本发明的纳米TiC_0.5颗粒原位增强Cu(Al)复合材料;其中TiC_0.5的含量约为3.55克,其余为Cu和Al(Cu含量为22.43克,Al含量约为0.89克)。xa0将上述的纳米TiC_0.5颗粒原位增强Cu(Al)复合材料,加工成Φ10mm×30mm的试样,进行抗压缩强度测试;测得的压缩强度为587.65MPa,最大变形率为18.18%,导电率为24.2%IACS。xa0实施方式四xa0步骤一配料xa0称取纯度为99.2%的Ti₂AlC粉5.92克、纯度为99.9%的Cu粉19.22克。xa0步骤二混料xa0将步骤一的配料混合,加入30毫升无水乙醇和100克玛瑙球,球磨混料3小时,以70°C烘干、将烘干的混合原料研碎、过180目筛。xa0步骤三冷压成型xa0将步骤二的混合原料在180MPa压强下,冷压成条形坯体。xa0步骤四烧结xa0将步骤三制备的条形坯体放入高温炉中的石墨模具中,在氩气保护下,以30°C/min的速率升温至1160°C,保温30min,以15°C/min的速率将炉温降至60°C,即得到本发明的纳米TiC_0.5颗粒原位增强Cu(Al)复合材料;其中TiC_0.5的含量约为4.73克,其余为Cu和Al(Cu含量为19.22克,Al含量约为1.19克)。xa0将上述的纳米TiC_0.5颗粒原位增强Cu(Al)复合材料,加工成Φ10mm×30mm的试样,进行抗压缩强度测试;测得的压缩强度为773.85MPa,最大变形率为8.62%,导电率为12.1%IACS。xa0实施方式五xa0步骤一配料xa0称取纯度为99.2%的Ti₂AlC粉7.57克、纯度为99.9%的Cu粉16.43克。xa0步骤二混料xa0将步骤一的配料混合,加入20毫升无水乙醇和60克玛瑙球,球磨混料4小时,以70°C烘干、将烘干的混合原料研碎、过200目筛。xa0步骤三冷压成型xa0将步骤二的混合原料在180MPa压强下,冷压成条形坯体。xa0步骤四烧结xa0将步骤三制备的条形坯体放入高温炉中的石墨模具中,在氩气保护下,以30°C/min的速率升温至1180°C,保温30min,以15°C/min的速率将炉温降至60°C,即得到本发明的纳米TiC_0.5颗粒原位增强Cu(Al)复合材料;其中TiC_0.5的含量约为6.05克,其余为Cu和Al(Cu含量为16.43克,Al含量约为1.52克)。xa0将上述的纳米TiC_0.5颗粒原位增强Cu(Al)复合材料,加工成Φ10mm×30mm的试样,进行抗压缩强度测试;测得的压缩强度为859.67MPa,最大变形率为4.73%,导电率为9.8%IACS。xa0