原位TaC/Ta2C二元纳米硬质相强化铜基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于有色金属材料领域，涉及一种原位TaC/Ta2C二元硬质相强化铜基复合材料及其制备方法。本发明专利技术采用机械球磨、模压、烧结多工序合成技术，制备出了体积百分比为1-40vol%的原位析出TaC/Ta2C二元纳米硬质相增强铜基复合材料。材料的制备方法为：先将反应物粉料按比例进行多步骤机械球磨，后在室温下采用“模压——等静压”方式制备出反应坯体，最后烧结冷却，获得TaC/Ta2C纳米硬质相增强的铜基复合材料。本发明专利技术主要特点：纳米尺度的TaC/Ta2C原位生成，在基体中分布均匀，颗粒表面洁净，二元硬质相协同作用，与铜基体界面结合强度高，材料硬度高且导电性良好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于有色金属材料领域，涉及一种原位TaC/Ta2C二元纳米硬质相强化铜基 复合材料及其制备方法。
技术介绍
铜及铜合金兼具优良的导热性、导电性和抗腐蚀性，在电子、电器、导热装置、触头 材料和空间材料等领域用途广泛，应用前景广阔。但是材料的硬度、强度、耐磨性、耐热性、 高温力学性能偏低，其应用范围受到限制，当今信息技术和现代冶金工业的迅猛发展，加剧 了社会对连铸机结晶器、焊接电极、集成电路引线框架等铜制品的需求，凸显了克服铜材料 缺点的紧迫性和重要性。 目前，材料复合化是解决铜及其合金中存在问题的重要途径之一。一般来讲，铜的 复合化常通过向材料中引入硬质相(如Al20 3、SiC等)或高熔点相(如碳纳米管、石墨烯等)来 实现，硬质相往往也是高熔点相，它们的引入方式包括了外加法和内加法。其中，外加法是 指直接将单独合成的硬质相添加到铜材料中，该方法操作简单，易于控制，但却因外加硬质 相与铜基体之间的润湿性较差，影响了材料的微观组织，不利于铜基复合材料的导电性，另 外，硬质相通常需要在高温条件下合成制备，提高了铜材料的制备成本。内加法通过目标硬 质相在材料制备过程中的析出来强化铜材料，该方法克服了硬质相外加法的缺点，但是 SiC、WC等碳化物硬质相却因形成温度高而难于实现原位析出，碳化物硬质相尽管兼具高强 度、高硬度、高耐磨、耐腐蚀、低密度和较好导热性等优点，却不易通过内加法在铜材料复合 化中得到应用。 有研究表明，铜基复合材料中硬质相的尺度及分布，是影响材料力学和电性能的 重要因素。硬质相尺度为纳米数量级时，强化效果优于微米尺度的强化效果，但是外加硬质 相的纳米粉体却易团聚，这不利于充分发挥纳米硬质相的强化效果，还会降低材料性能的 均一性，然而，该缺点能为内加法所避免。综上，有必要找到一种能在铜基复合材料中原位 析出纳米碳化物强化相的方法。
技术实现思路
针对上述技术现状中存在的问题，本专利技术提供了一种基于鉅和碳反应的物化特 性，利用碳鉅化合物熔点高且较其它碳化物导电性好的特点，增强相原位析出利于材料致 密化的TaC/Ta 2Cm米硬质相协同强化的高硬铜基复合材料及其制备方法。 本专利技术技术方案是：原位TaC/Ta2C二元纳米硬质相强化铜基复合材料，组成为： Cmoo-x x;x为Ta-C化合物在铜基复合材料中的体积百分比，1 vol. % < X仝40 vol.%，y为TaC在碳钽化合物中的原子百分比，5 at.% < y < 60 at.%。 前面所述的原位TaC/Ta2C二元纳米硬质相强化铜基复合材料，优选的方案是，5 vol. % < X < 30 vol·% (优选的，10 vol. % < X < 20 vol.%)〇 前面所述的原位TaC/Ta2C二元纳米硬质相强化铜基复合材料，优选的方案是， 10at·% < y < 40 at·% (优选的，20at·% < y < 30 at·%)。 本专利技术还提供了所述的原位TaC/Ta2C二元纳米硬质相强化铜基复合材料的制备 方法，步骤如下： 步骤1:按照Cmm-xx中的成分配比，称量Cu、Ta和C粉料，并称量硬脂 酸，按照每100克0.5~5毫升的比例量取乙醇，调制出硬脂酸与乙醇混合的球磨过程控制剂； 步骤2:将步骤1准备的Ta、C原材料、钢球与机械球磨过程控制剂，装入真空球磨罐，之 后封盖、抽真空、充入高纯氩，进行高能机械球磨，球磨时间30~150小时，球磨转速250~500 转/分钟，获得Ta包C的高活性纳米晶粉体;在无氧环境中，将Ta/C纳米晶粉与步骤1准备的 Cu粉混合，装入带有球磨过程控制剂的真空罐内，之后抽真空和充入高纯氩，并在球磨机上 进行混粉，球磨过程中球料比6:1~20:1，球磨时间5~30小时，球磨转速50~150转/分钟，获得 Cu、Ta和C分布均匀的粉料。步骤3:将步骤2制备的粉体压型，获得压块并在油压机上进行100-250 MPa的等静 压，制备出密实的压坯； 步骤4:将步骤3制备的压坯放入真空度为ΚΓ3~l(T4pa数量级的高真空烧结炉内进行烧 结，之后通入氩气进行快冷，冷却速度为l〇〇°C/min，冷却至室温，获得高硬度且导电性良好 的铜基复合材料。 所述的制备方法，优选的是:步骤1: Cu、Ta和C粉料为粒径约为10微米，纯度在99% 以上。 所述的制备方法，优选的是:步骤1:硬脂酸用量为Cu、Ta和C粉料总质量的0.1~5% (优选0 · 5~4%，更加优选1~3%) 所述的制备方法，优选的是:步骤2:将步骤1准备的Ta、C原材料、钢球与机械球磨过程 控制剂，装入真空球磨罐，球料比8:1~40:1，优选的，球料比10:1~30:1;更加优选的，球料比 15:1~20:1〇 所述的制备方法，优选的是:步骤3:将步骤2制备得的粉体压型，模压压力为150-400 MPa，优选的，模压压力为200-300 MPa;更加优选的，模压压力为250 MPa。 所述的制备方法，优选的是:步骤4:烧结温度为650_1000°C，烧结时间为1-5小时， 优选的，烧结温度为750-950°C，烧结时间为2-4小时。本专利技术属于有色金属材料领域，涉及一种原位TaC/Ta2C二元硬质相强化铜基复合 材料及其制备方法。本专利技术采用机械球磨、模压、烧结多工序合成技术，制备出了体积百分 比为l-40vol%的原位析出TaC/Ta2C二元纳米硬质相增强铜基复合材料。材料的制备方法 为:先将反应物粉料按比例进行多步骤机械球磨，后在室温下采用"模压一等静压"方式制 备出反应坯体，最后烧结冷却，获得TaC/Ta 2C纳米硬质相增强的铜基复合材料。本专利技术主要 特点：纳米尺度的TaC/Ta2C原位生成，在基体中分布均勾，颗粒表面洁净，二元硬质相协同 作用，与铜基体界面结合强度高，材料硬度高且导电性良好。本专利技术的优异效果是，由于采用上述技术方案，本专利技术制得的铜基复合材料与外 加微米TaC强化铜基复合材料相比，具有更高的硬度和导电性;同时与常用外加强化相铜基 复合材料制备方法相比，省却了硬质相的高温合成环节，节约了能源，降低了生产成本。【附图说明】 图1为本专利技术实施例1的原位析出TaC/Ta2C二元纳米硬质相强化铜基复合材料的 组织图。【具体实施方式】 以下将结合实施例对本专利技术做进一步说明，本专利技术的实施例仅用于说明本专利技术的 技术方案，并非限定本专利技术。 实施例中所用原料皆可从市场购买。 本专利技术Cmoo-x 淋料的制备方法，常规步骤如下： 步骤1:按照Cmoo-xKTaCWTa^nxj-y]冲的成分配比，称量粒径约为10微米的纯度在 99%以上的Cu、Ta和C粉料，并称量与Cu、Ta和C粉料总质量0.1~5%相当的硬脂酸，按照每100 克0.5~5毫升的比例量取乙醇，调制出硬脂酸与乙醇混合的球磨过程控制剂； 步骤2:将步骤1准备的Ta、C原材料、钢球与机械球磨过程控制剂，装入真空球磨罐，球 料比8:1~40:1，之后封盖、抽真空、充入高纯氩，进行高能机械球磨，球磨时间30~150小时， 球磨转速250~500转/分钟，获得Ta包C的高活性纳米晶粉体;在无氧环境中，将Ta/C本文档来自技高网...

【技术保护点】
原位TaC/Ta2C二元纳米硬质相强化铜基复合材料，其特征是，组成为：Cu100‑x[(TaC)y(Ta2C)100‑y]x；x为Ta‑C化合物在铜基复合材料中的体积百分比，1 vol. % ≤ x ≤ 40 vol.%，y为TaC在碳鉭化合物中的原子百分比，5 at.% ≤ y ≤ 60 at.%。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：倪俊杰，张昊，刘瑞环，刘海涛，贾正锋，黄宝旭，王长征，马杰，
申请(专利权)人：聊城大学，
类型：发明
国别省市：山东;37