一种铜基纳米碳化物金刚石复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种铜基纳米碳化物金刚石复合材料及其制备方法，包括以下步骤，制备铜基粉末；制备得到的铜基粉末加入纳米碳化物和金刚石进行球磨，再进行烧结，即得到铜基纳米碳化物金刚石复合材料。通过基体合金化、原位生成碳化物以及外加纳米碳化物等手段强化材料的性能，最终得到的铜合金铜基纳米碳化物金刚石复合材料，该铜基纳米碳化物金刚石复合材料的界面带有内嵌金刚石和碳化物，借助高能球磨的机械能使得合金粉末与金刚石颗粒在界面上发生原位反应形成碳化物以此增强界面的结合能力，该结构可以改善铜基体与金刚石的润湿性，与原位形成的碳化物协同增加界面结合的能力。力。力。

【技术实现步骤摘要】
一种铜基纳米碳化物金刚石复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于复合材料领域，尤其涉及一种界面具有碳化物的铜基金刚石复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]自20世纪50年代后，人造金刚石的成功合成以及粉末冶金工艺的成功突破，开启了使用金刚石工具的全新时代。金刚石本身兼有低摩擦系数和高的硬度。添加金刚石在复合材料中，既可以降低材料整体的摩擦系数，也可以提高磨损性能，降低磨损率。同为碳组元的石墨具有低的摩擦系数，但是其硬度低，用于制备复合材料对硬度有不利影响。加入石墨可以降低摩擦系数，但相应的磨损率较之金刚石复合材料会更高。金刚石工具被广泛地应用制作钻头、刀具、磨轮、拉丝模等高硬度耐磨加工工具。金刚石除却它的硬度之外还兼有较高的导热性能，较低的热膨胀系数，对于大功率的电子原件，根据其良好的散热能力又被广泛地制备为热沉材料，成为电子封装领域的第三代新材料。伴随信息技术产业的高速发展以及集成电路的规模扩大，硅材料已经成为最广泛使用的半导体材料之一。对于制备加工硅材料从切割晶棒、切片至减薄，金刚石工具如金刚石砂轮，金刚石锯片都起到至关重要的作用，并且对于硅材料的加工精度要求越来越高，金刚石工具的精度需求也随之提高。如何提高金刚石工具的精度性能成为研究的焦点。目前国外对于金刚石工具的研究较多较为先进，我国也逐步重视金刚石工具的研究，对于其的研究工作不断增加，不断突破，但较之国外的研究水平还是有所差距。由于其轨道构型，Cu不存在与C反应或与C形成稳定化合物的倾向。所以纯铜对金刚石的粘附性非常弱，同时金刚石SP3轨道的电子态属于成键态，碳原子之间相互容易成键，性质稳定，不容易与金属成键形成化学结合，使得金刚石与金属的结合性极差。较差的结合性会导致复合材料界面结合差。无论针对力学性能还是导热性能，受到界面结合的影响很大，如何增加金属和金刚石的结合能力也同样是一个研究的重点。
[0003]常使用的金属基胎体是铁基、钴基、铝基、镍基、铜基。选用的金属具有较好的导电导热性，并且金属具有一定的强度以及韧性。其中Co与金刚石的润湿性最好，钴基金刚石工具的把持力也相应的较好，但是由于Co资源并不丰富，属于战略资源，成本较高，研究学者们将目光逐渐聚焦于资源丰富，成本较低并且具有良好韧性、导电导热性，低热膨胀系数以及良好成形性和烧结性的铜基体。前文提到，金刚石与金属的润湿性很差，仅仅是普通的机械的结合达不到化学结合的强度。对于铜基金刚石复合材料，铜和金刚石几乎不润湿，目前国内的研究主要通过不断地开发和优化制备工艺来改善金刚石在铜基体的分散问题以及界面结合，常见的手段是对基体进行合金化，以及对金刚石进行表面改性。但是对金刚石进行表面改性如磁控溅射或者化学镀覆所需工艺繁琐成本较高，不适合大规模地工业生产，且镀膜难以控制，对材料影响较大。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是，克服以上
技术介绍
中提到的不足和缺陷，提供一种工艺简单，成本较低适合大规模生产铜基金刚石复合材料的方法。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：
[0006]一种铜基纳米碳化物金刚石复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)利用可形成碳化物的元素和铜元素制备铜基粉末；
[0008](2)将步骤(1)制备得到的铜基粉末加入纳米碳化物和金刚石进行球磨，得到铜合金混合粉末；
[0009](3)将步骤(2)得到的铜合金混合粉末进行烧结，即得到铜基纳米碳化物金刚石复合材料。
[0010]优选的，步骤(1)中所述铜基粉末利用可形成碳化物的元素和铜元素制成，所述可形成碳化物的元素包括W、Cr、Ti、Zr、Nb中一种或多种的组合；所述可形成碳化物的元素的添加总量为铜基粉末的1～25wt％。
[0011]当未添加可形成碳化物的元素时，铜基粉末即为纯铜粉末，纯铜粉末的优势在于成本较低，适宜大规模的工业生产，并且纯铜具有优异的导热性能和导电性能，用纯Cu作为基体的金刚石复合材料会具有更广阔的应用前景。添加Cr和Nb元素虽然会提高制备成本，但是在可形成碳化物的元素中，它们更易满足形成碳化物的热力学条件，高能球磨和烧结过程中这两个元素对原位形成碳化物有正面影响。
[0012]优选的，步骤(1)中所述铜基粉末利用铜元素制成，铜基粉末中铜含量≥99wt％。
[0013]优选的，步骤(1)中制备铜基粉末时采用气雾化法，所述铜基粉末的粒径为5
‑
100μm。
[0014]优选的，步骤(2)中所述纳米碳化物包括WC、Cr3C2、TiC、ZrC、NbC、TaC中一种或多种的组合，纳米碳化物的粒径在1
‑
100nm。
[0015]优选的，步骤(2)中所述纳米碳化物的添加量为铜合金混合粉末含量的1
‑
10wt％；所述金刚石的添加量为铜合金混合粉末含量的1
‑
10wt％。
[0016]优选的，步骤(2)中所述金刚石为金刚石微粉，所述金刚石的粒径为1
‑
800μm。金刚石微粉为生产规则单晶时的边角部分材料，不再适用其余方面的制备，成本方面大大降低。还可以使用金刚石单晶、金刚石聚晶进行制备。
[0017]优选的，步骤(2)中所述球磨的处理方式为高能球磨中的行星球磨；球磨控制球料比为10：1，球磨转速为100
‑
400rpm，球磨时间为24
‑
72h，球磨过程中的分散剂为无水乙醇。
[0018]优选的，步骤(3)中所述烧结处理时的烧结方式为真空快速热压烧结所述真空快速热压烧结时控制真空度≤10Pa；所述烧结处理时首先进行预压，预压压力为50MPa，接着将温度升至900
‑
1200℃，升温速度为50
‑
100℃/min，烧结压力为40MPa，保温时间为10
‑
20min。
[0019]优选的，所述铜基纳米碳化物金刚石复合材料的界面带有内嵌金刚石和碳化物。
[0020]本专利技术的制备方法是将纯铜粉末或者是含有可形成碳化物的元素的铜合金粉末与碳化物和金刚石进行高能球磨。高能球磨的过程中使得纳米级别细微的碳化物粉末部分包裹在金刚石颗粒上，同时硬质的金刚石颗粒被较软的纯铜粉末或者铜合金粉末包裹起来。较软的球形粉末聚集造粒，形成颗粒较大的带有内嵌金刚石和碳化物的曲奇饼干状的
铜基纳米碳化物金刚石复合材料，金刚石颗粒类似巧克力均匀地镶嵌在粉末之中。通过高能球磨过程中的机械能，使得铜基体、碳化物、金刚石的结合升高。球磨过程中如果加入可形成碳化物的元素的铜合金粉末，借助高能球磨的机械能使得合金粉末与金刚石颗粒在界面上发生原位反应形成碳化物以此增强界面的结合能力。球磨过程中部分包裹在金刚石颗粒上纳米级细小的碳化物，其对于基体和金刚石的润湿性均比基体和金刚石之间直接接触的润湿性优异，可以改善铜基体与金刚石的润湿性，与原位形成的碳化物协同增加界面结合的能力。同时纳米级别的碳化物粒子可以在复合材料中产生本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铜基纳米碳化物金刚石复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备铜基粉末；(2)将步骤(1)制备得到的铜基粉末加入纳米碳化物和金刚石进行球磨，得到铜合金混合粉末；(3)将步骤(2)得到的铜合金混合粉末进行烧结，即得到铜基纳米碳化物金刚石复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述铜基粉末利用可形成碳化物的元素和铜元素制成，所述可形成碳化物的元素包括Cr、Ti、Zr、Nb中一种或多种的组合；所述可形成碳化物的元素的添加总量为铜基粉末的1～25wt％。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述铜基粉末利用铜元素制成，铜基粉末中铜含量≥99wt％。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中制备铜基粉末时采用气雾化法，所述铜基粉末的粒径为5
‑
100μm。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述纳米碳化物包括WC、Cr3C2、TiC、ZrC、NbC、TaC中一种或多种的组合，纳米碳化物的粒径在1
‑
100nm。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述纳米碳化物的添加量为铜合金混合粉末含量的1<...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷前，张晓岩，周世杰，
申请(专利权)人：郑州沃德超硬材料有限公司，
类型：发明
国别省市：