【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种利用光化学反应在室温一步制备纳米钨铜复合材料的方法。本专利技术属于复合材料领域。
技术介绍
1、钨铜复合材料具有高硬度、高强度、低热膨胀系数、良好的耐电弧性和优异的导电导热性，被广泛利用于国防、航空航天与民用工业，特别是高压电路接触部件、焊接电极、电子封装与散热装置等。由于钨铜间理化性质的巨大差异，钨铜复合材料中钨相与铜相无法有效互溶，对其界面结合、致密化等均构成阻碍，使得钨铜复合材料的持续高性能化受到局限。近期研究表明，使用钨、铜纳米颗粒作为起始原料制备具有纳米尺度晶粒组织的钨铜复合材料可以有效提升其综合性能。这是由于纳米粉料具有更高的比表面积与表面能，在烧结时界面结合更充分，更具致密化倾向。同时，纳米w颗粒在液相烧结时的重排过程能提供更高的毛细作用力，加速钨铜复合材料致密化。纳米尺度的w、cu颗粒还有助于提高材料的微观结构均一度，从而显著改善其物理性质与机械性能。
2、目前，能够制备纳米钨铜复合材料的方法主要有以下两类。基于粉末冶金渗入法，可利用去合金化制备具有开放纳米孔洞的w骨架，随后熔融的cu通过毛细作用进入w骨架内部并填充其空隙，形成纳米钨铜复合材料。基于液相烧结法，可利用高能球磨使原料反复变形、破碎，从而达到元素间亚微米水平混合的机械合金化，进而通过冷压、烧结的方法获得纳米钨铜复合材料。针对cu在机械合金化过程中易发生冷焊而分布不均，可使用机械-化学合金化技术混合原料。这一方法先机械研磨w与cu的氧化物，利用金属氧化物的脆性获得更小更均匀的纳米混合粉料，再通过化学还原法得到金属w、cu。
3、遗憾的是，上述方法在制备中均需经历高温过程(通常>950℃)。纳米晶粒热稳定性较差，在加热条件下极易失稳长大，使产品结构、组成、物相分布偏离最初设计。例如，在液相烧结过程中纳米w颗粒可快速生长至微米尺寸，丧失了纳米尺度效应对产物性能的提升；同时由于较高温度下晶粒可能发生异常长大，容易导致最终产物物相、晶粒尺寸分布不均匀，影响材料物性和力学性能。因此，亟需开发可兼顾钨铜材料晶粒组织纳米化与保持稳定性的新方法，突破现有技术瓶颈。
技术实现思路
1、本专利技术提出了一种在室温下利用光化学反应一步获得纳米钨铜复合材料的新方法，从而在制备机制层面完全避免了高温过程，解决了现有技术矛盾。本专利技术具体实施过程如下：
2、(1)配置铜沉积液：将铜盐、含胺基助剂、抗坏血酸钠混合，制成铜沉积液。其中，铜盐可选择氯化铜或硫酸铜，其浓度范围一般在10mm至60mm之间；抗坏血酸钠浓度一般在50mm至200mm之间；含胺基助剂加入后胺基浓度控制在25mm至140mm之间。
3、含胺基助剂可按如下方法制备。将五乙烯六胺(peha)、丙烯酰胺(aam)溶于水中形成混合溶液，其中五乙烯六胺与丙烯酰胺的摩尔比控制在1：12至1：24之间，五乙烯六胺绝对浓度不低于100mm。向该混合液中加入质量分数为10％的过硫酸铵或过硫酸钾溶液。过硫酸铵或过硫酸钾溶液的体积为总液体的5-10％。静置一天，使溶液中聚合反应充分发生，最后加水稀释，使产物中胺基浓度统一到0.5m。
4、(2)沉积准备：将纳米钨粉在基底上均匀摊开成薄层，其层厚一般不超过10μm。将铜沉积液添加到基底上，铜沉积液应没过纳米钨粉，沉积液液面至基底表面应保持至少400μm的厚度(图1)。
5、(3)光化学沉积：以365nm紫外光源垂直照射沉积液与钨粉层，样品表面受到的照射强度不低于100mm/cm2。持续照射5-20min，使沉积液中cu离子被充分还原并沉积在w粉间隙中，形成纳米钨铜复合材料。对于需要大量沉积cu的情况，可在一次沉积后更换沉积液进行多次沉积。对于需要更厚wcu复合材料的情况，可在cu沉积后用去离子水清洗样品，随后再铺上一层w粉。重复上述过程直至获得满意厚度(图2)。
6、(4)在上述步骤(3)操作中还可以进行纳米钨铜复合材料的空间选择性制备。通过投影设备将紫外光聚焦到钨粉层特定位置，即可在该处选择性沉积铜。周围未被光照区域不发生反应。沉积完成后用大量去离子水冲洗钨粉层即可将未反应部分冲走，只留下特定区域沉积了铜的纳米钨铜复合材料。由此可制备一定形状的纳米钨铜复合材料。
7、纳米钨铜复合材料的室温光化学制备原理如下(图3)：
8、铜离子与抗坏血酸钠构成光敏性还原体系，在紫外光照下产生初级铜纳米颗粒。助剂中的胺基对铜纳米颗粒形成多齿配位，每条含胺基助剂分子链可锚定多个纳米颗粒，不同含胺基助剂分子链的缠结使纳米颗粒间形成空间网络；含胺基助剂中的酰胺单元用于调整胺基间距，使得纳米颗粒间维持适当距离。上述两种作用使得初级纳米颗粒在持续光照下可以继续生长并连接，形成致密结构。含胺基助剂的长分子链还可以对钨纳米颗粒形成包绕，解决钨铜界面结合弱的问题，使得光化学反应产生的铜可以在钨表面铺展沉积。
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1.一种纳米钨铜复合材料的室温光化学制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种纳米钨铜复合材料的室温光化学制备方法，其特征在于，在需要大量沉积Cu的情况，在一次沉积后更换沉积液进行多次沉积。
3.根据权利要求1所述的一种纳米钨铜复合材料的室温光化学制备方法，其特征在于，在需要更厚WCu复合材料的情况，在Cu沉积后用去离子水清洗样品，随后再铺上一层W粉；重复光化学沉积与清洗铺粉操作直至获得目标厚度。
4.根据权利要求1所述的一种纳米钨铜复合材料的室温光化学制备方法，其特征在于，通过投影设备将紫外光聚焦到钨粉层特定位置，即可在该处选择性沉积铜；周围未被光照区域不发生反应；沉积完成后用去离子水冲洗钨粉层即可将未反应部分冲走，只留下特定区域沉积了铜的纳米钨铜复合材料；由此制备一定形状的纳米钨铜复合材料。
【技术特征摘要】
1.一种纳米钨铜复合材料的室温光化学制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种纳米钨铜复合材料的室温光化学制备方法，其特征在于，在需要大量沉积cu的情况，在一次沉积后更换沉积液进行多次沉积。
3.根据权利要求1所述的一种纳米钨铜复合材料的室温光化学制备方法，其特征在于，在需要更厚wcu复合材料的情况，在cu沉积后用去离子水清洗样品，...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵治，马一哲，宋晓艳，侯超，李昱嵘，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：
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