本发明专利技术涉及纳米晶体材料的改进技术，特别是一种具有超高强度、高导电率的块体高密度纳米孪晶金属纯铜及其制备方法。块体纯铜材料微观结构主要特征是束状高密度纳米机械孪晶，平均孪晶层片厚度为几十纳米，长度几百纳米。基体与孪晶内部皆有高密度位错存在，其拉伸屈服强度７５０ＭＰａ左右，其电阻率达到１．８１×１０↑［－８］Ω．ｍ。超高强度、高导电率块体纯铜材料制备方法是利用动态高速变形技术，对块体纯铜进行单方向多次处理，变形应变速率：范围１０↑［２］－１０↑［４］ｓ↑［－１］；变形应变量：总变形量大于１．８（计算方法：ε＝Ｈ↓［０］／Ｈ＞１．８）；变形温度：３０℃至－２００℃。本发明专利技术制备的高强度、高导电率的纯铜材料对迅速发展的计算机产业及通讯电子行业具有重要价值和极大的应用空间。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及纳米晶体材料的改进技术，特别是一种具有超高强度、高导电率的块体高密度纳米孪晶金属纯铜及其制备方法。
技术介绍
铜是人类最早发现和使用的金属之一。目前，铜及铜合金已广泛应用于电气、电子、机械、仪表、造船和建筑等工业部门。20世纪末，世界的铜产量约为1450万吨。纯铜具有良好的导电性，但强度较低，退火态纯铜室温拉伸屈服强度只有30MPa左右。为了改善铜的性能，通常需要加入一些危害较小的合金元素(如Al，Fe，Ni，Sn，Zn，Ag，Sb等)以提高其强度和硬度。但是，这些合金元素的加入将导致铜的导电性大幅度降低。而且，少量Fe和Ni对Cu的磁性有影响，对制造罗盘和航空器不利；Cd，Zn，Sn，Pb等在高温、高真空中易挥发，制造电子管零件时受到限制。根据Hall-Petch关系其中σ金属多晶体的屈服强度、σo退火粗晶体的屈服强度、d晶粒尺寸，金属材料的强度随晶粒尺寸减小而增大。所以工业上通过冷轧和冷拔等塑性变形技术细化晶粒尺寸来提高纯铜的屈服强度。文献中冷拔铜的屈服强度大约330MPa。俄罗斯材料科学家Valiev等人(文献1Valiev R Z，Joural of Materials Research(材料研究)，2002；175)利用等通道挤压制备的块体超细晶铜，平均晶粒尺寸大约100nm，室温拉伸时屈服强度380MPa。对于发展高强度导电体材料，强度和导电性是两个最重要的参数。因为大多数强化材料的方法都明显地降低材料的导电性，因此制备同时具有高强度和高导电率块体纯铜材料是一个巨大的挑战。各种缺陷对导电材料强度和电阻的影响根据Mathiessen公式表示为ρ＝ρt+ρb+ρl+ρd其中ρt，ρb，ρl和ρd分别代表热、杂质、界面/晶界和位错对电阻率ρ的贡献。材料通常利用合金元素的加入以形成多相或固溶体来强化，但这明显的增加ρd，ρl或ρb。因此，铜的合金化不可避免的大幅度降低导电性。在室温时金属中位错对电子散射作用比较小，因此，高密度位错不仅能够强化导电体材料，同时使材料的电阻增加也不大。然而，室温变形时(295±2k)，由于位错湮灭、恢复，在纯金属中只能引入有限密度的位错，在变形应变达到一定量时，变形材料强度达到饱和值。例如，在变形应变小于7时，变形纯铜已不再应变硬化(文献2Cairns等，J.Inst.Metals，1971；9993)。文献中已经报道，通过低温轧制或挤出，能够制备出高强度铜。K.Han博士等人(文献3Hank，Walsh RP，Ishmaku A等，Phil Mag A(哲学杂志)，2004；843705)在液氮温度下利用拉拔技术制备的高密度位错块体纯铜材料，室温拉伸强度563MPa。相对于退火铜，导电率仅下降5％。低温变形限制了位错恢复、湮灭，允许材料内存储更高密度的位错，导致了材料的高强度。目前文献报道的纳米晶体或纳米孪晶纯铜尽管获得了高的强度，但样品通常是薄膜而不是块体(文献4Legros等，Phil.Mag.A(哲学杂志)，2000；801017；文献5Lu L等，Science(科学)，2004；304422)。事实上无论是采用加工硬化法还是细化晶粒等方法，目前制备的块体铜材料的屈服强度同晶须的屈服强度或材料的理论剪切强度都有相当大的差距，这差距为进一步提高目前块体铜的屈服强度提供了可能。滑移和机械孪生是塑性变形主要的两种变形机制。在一般情况下，滑移比孪生容易，所以形变时首先发生滑移。密排六方点阵金属，由于滑移系小，特别在不利于滑移取向下加力时会形变一开始就形成孪晶。体心立方金属在形变速度比较大时易形成孪晶。面心立方金属不易出现机械孪晶，对于中层错能面心立方金属铜，通常塑性变形是通过位错滑移来协调，只有在极低温度下才会机械孪生。孪晶界是晶体学取向特殊的大角度晶界，界面能比普通大角晶界低。大量实验已经表明，孪晶界与晶界一样，对位错具有阻碍作用而强化材料，Lu等的工作表明高密度纳米孪晶不仅能够强化材料而且对电阻增加的影响也很小。以上结果和分析表明，通过增加材料的位错和孪晶密度，不仅能够增加材料的强度，而且材料的导电率降低较小。从上述理论出发，本专利技术提出了一种超高强度、高导电率的块体高密度纳米孪晶金属纯铜及其制备方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有超高强度、高导电率的块体纯铜材料及其制备方法。制备的块体高密度纳米孪晶纯铜，室温拉伸屈服强度750MPa左右，比退火纯铜材料屈服强度提高10倍以上，导电率相当于高导无氧铜的94％。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下本专利技术制备的高强度、高导电率块体纯铜材料为具有纳米孪晶的块体纯铜材料，厚度和长度均在1mm以上，室温拉伸的屈服强度为600-800MPa，室温电阻率1.72×10-8-1.81×10-8Ω.m，其微观结构主要特征是束状高密度纳米(变形)孪晶，平均孪晶层片厚度为20-70纳米，长度100-800纳米，孪晶密度为1×107-5×107m2/m3，基体与孪晶内部皆有高密度位错存在，位错密度为1×1015-3×1015。本专利技术所述块体纯铜材料厚度可以达到1-3mm，长度可以达到30-50mm。本专利技术超高强度、高导电率块体纯铜制备方法，利用动态高速变形技术，对块体纯铜进行单方向多次处理。工艺参数变形应变速率范围102-104s-1；变形应变量总变形量大于1.8(计算方法ϵ=lnH0H>1.8]]>)，ε为变形量，H0为材料变形前厚度，H为材料变形后的厚度；变形温度30℃至-200℃。所述总变形量在1.8-3，每次的变形量在0.1-0.6。本专利技术具有如下优点1.制备的块体纯铜材料同时具有高强度和高导电率。本专利技术利用高速变形技术，选择合适变形应变量、变形应变速率和变形温度，在大大低于通常变形温度的条件下，制备出具有高密度纳米孪晶的块体纯铜，室温拉伸屈服强度750MPa左右，达到普通退火纯铜材料的10倍以上，导电率优良，为高导无氧铜的94％。2.制备方法简单。本专利技术利用高速变形技术，制备方法简单，易于控制好变形工艺参数和变形温度。对目前传统的变形技术进行必要的改进，优化工艺参数和变形温度，即可制备出高强度、高导电率的块体高密度纳米孪晶纯铜材料。3.应用性强。纯铜具有优良的导电性，但强度低是其致命弱点，限制了纯铜在许多场合的使用。因此，本专利技术制备的高强度、高导电率的纯铜材料对迅速发展的计算机产业及通讯电子行业具有重要价值和极大的应用空间。附图说明图1本专利技术高强度、高导电率块体高密度纳米孪晶纯铜的微观结构透射电子显微镜照片。图2本专利技术高强度、高导电率块体高密度纳米孪晶纯铜和普通退火粗晶纯铜的室温拉伸曲线。具体实施例方式下面通过实施例详述本专利技术。实施例1利用高速变形技术制备高强度、高导电率块体高密度纳米孪晶纯铜材料；设备气动式高速变形设备；变形应变速率1×102s-1；变形应变量变形量2.3(5次变形，前四次变形每次变形量0.5，第5次0.3)；变形温度-196℃；纯铜材料纯度99.95％，经700℃退火3小时，晶粒尺寸150-200微米。制备出块体高密度纳米尺寸孪晶纯铜材料，如图1，其微观结构主要特征是束状高密度纳米机械孪晶，平均孪晶层片厚度为30-50纳米，长度200-80本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种超高强度高导电率块体纯铜材料，其特征在于：所述铜材料为具有纳米孪晶的块体纯铜材料，厚度和长度均在１ｍｍ以上，室温拉伸屈服强度为６００－８００ＭＰａ，室温电阻率１．７２×１０↑［－８］－１．８１×１０↑［－８］Ω．ｍ，其微观结构主要特征是束状高密度纳米机械孪晶，平均孪晶层片厚度为２０－７０纳米，长度１００－８００纳米，孪晶密度为１×１０↑［７］－５×１０↑［７］ｍ↑［２］／ｍ↑［３］，基体与孪晶内部皆有高密度位错存在，位错密度为１×１０↑［１５］－３×１０↑［１５］。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：陶乃镕，李玉胜，卢柯，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]
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