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1、(10)申请公布号 CN 102482094 A (43)申请公布日 2012.05.30 CN 102482094 A *CN102482094A* (21)申请号 201080033225.7 (22)申请日 2010.06.22 61/219,909 2009.06.24 US C01B 31/00(2006.01) C22C 9/00(2006.01) (71)申请人 第三千禧金属有限责任公司 地址 美国俄亥俄 (72)发明人 JV舒格特 RC舍雷尔 (74)专利代理机构 中国国际贸易促进委员会专 利商标事务所 11038 代理人 李跃龙 (54) 发明名称 铜 - 碳组合物 (57)。
2、 摘要 一种铜 - 碳组合物， 包括铜和碳， 其中铜和碳 形成单相材料， 其中当材料加热到熔融温度时， 碳 不会与铜相分离。 (30)优先权数据 (85)PCT申请进入国家阶段日 2012.01.21 (86)PCT申请的申请数据 PCT/US2010/039419 2010.06.22 (87)PCT申请的公布数据 WO2011/005494 EN 2011.01.13 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 4 页 1/1 页 2 1. 一种铜 - 碳组合。
3、物， 包含铜和碳， 其中所述铜和所述碳形成单相材料， 其中当所述材 料加热到熔融温度时， 所述碳不会与所述铜相分离。 2. 权利要求 1 的铜 - 碳组合物， 其中所述材料基本由所述铜和所述碳组成。 3. 权利要求 1 的铜 - 碳组合物， 其中所述碳占所述材料的至少约 0.01 重量。 4. 权利要求 1 的铜 - 碳组合物， 其中所述碳占所述材料的至少约 0.1 重量。 5. 权利要求 1 的铜 - 碳组合物， 其中所述碳占所述材料的至少约 1 重量。 6. 权利要求 1 的铜 - 碳组合物， 其中所述碳占所述材料的至少约 10 重量。 7. 权利要求 1 的铜 - 碳组合物， 其中所述碳。
4、占所述材料的至少约 35 重量。 8. 一种铜 - 碳组合物， 基本由铜和碳组成， 其中所述铜和所述碳形成单相材料， 所述碳 占所述材料的至少约 0.01 重量， 其中， 当所述材料加热到熔融温度时， 所述碳不会与所 述铜相分离。 9. 权利要求 8 的铜 - 碳组合物， 其中所述碳占所述材料的约 1 至 5 重量。 权 利 要 求 书 CN 102482094 A 2 1/4 页 3 铜 - 碳组合物 0001 优先权 0002 本发明申请要求2010年6月24日提交的美国系列申请No.61/219,909的优先权， 通过引用将其全部内容并入本文。 技术领域 0003 本发明申请涉及包括铜和。
5、碳的组合物， 更特别地， 涉及当熔融或再熔融时没有相 分离的铜 - 碳组合物。 背景技术 0004 铜金属由于其相当高的电导性和热导性， 通常用于各种电气和机械应用中。 然而， 铜金属具有非常好的延展性， 这限制了其在机械和结构应用中的使用。此外， 随时间延长， 铜金属易发生腐蚀和氧化， 从而限制了其在各种反应环境中的应用。 0005 为了提高铜金属的热、 机械和化学性能， 人们致力于发展铜 - 碳复合物。铜 - 碳复 合物是通过将碳机械引入到铜金属中形成， 从而赋予由此产生具有某些超过纯铜金属的优 点 ( 例如， 提高的热导性 ) 的铜 - 碳复合物。举例来说， 铜 - 碳复合物可以采用铜和。
6、碳粉冶 金技术以及通过加热和一起捏合铜和碳来制备。 0006 然而， 与铜金属相似， 铜 - 碳复合物具有限制其在某些应用中使用的物理性能。例 如， 当复合物熔融时， 铜 - 碳复合物相中的碳会从铜金属中分离， 从而限制了铜 - 碳复合物 在高温应用中的使用。 0007 因此， 本领域技术人员不断寻求铜金属性能的改进。 发明内容 0008 一方面， 公开的铜 - 碳组合物可以包括铜和碳， 其中铜和碳形成单相材料， 其中当 材料加热至熔融温度时， 碳不会与铜相分离。 0009 另一方面， 公开的铜 - 碳组合物可以基本由铜和碳组成， 其中铜和碳形成单相材 料， 其中当材料加热至熔融温度时， 碳不。
7、会与铜相分离。 0010 另一方面， 公开的铜 - 碳组合物可以基本由铜和碳组成， 其中铜和碳形成单相材 料， 该材料包括按重量计至少 0.01的碳， 其中当材料加热至熔融温度时， 碳不会与铜相分 离。 0011 公开的铜 - 碳组合物的其它方面将根据以下描述、 附图和所附权利要求变得更加 明显。 附图说明 0012 图 1 是公开的铜 - 碳组合物的扫描电子显微图像， 该图像显示出组合物的 30m 宽的部分。 0013 图 2 是公开的铜 - 碳组合物的扫描电子显微图像， 该图像显示出组合物的 3m 宽 说 明 书 CN 102482094 A 3 2/4 页 4 的部分。 0014 图 3。
8、 是公开的铜 - 碳组合物的扫描电子显微图像， 该图像显示出组合物的 2m 宽 的部分。 0015 图 4 是公开的铜 - 碳组合物的扫描电子显微图像， 该图像显示出组合物的 500nm 宽的部分。 0016 详细描述 0017 现在已经发现， 碳可以大量加入到铜金属中形成单相材料， 使得材料熔融时， 以这 种方式存在的碳不会与铜相分离。 0018 特别地， 已经发现， 可以通过如下方式将碳加入到铜金属中 ： 将铜金属熔融， 并将 碳混入熔融的铜金属中， 在混合同时， 将足够安培的电流施加于熔融的混合物， 使得碳变得 纳入到铜金属中， 由此形成单相铜 - 碳材料。所得的单相铜 - 碳材料在随后。
9、的再熔融 ( 即， 升高到材料熔融温度或高于该温度 ) 时发生相分离。 0019 公开的铜-碳组合物中的碳可以由能够制备公开的铜-碳组合物的任何含碳材料 获得。 例如， 高比表面积的碳(比如活性炭)和某些功能性碳已经取得了希望的结果。 有用 的含碳材料的另一个例子是碳的同素异形体， 例如金刚石、 石墨和富勒烯 (Buckminster)。 虽然不局限于任何特定理论， 本领域技术人员可以理解许多碳存在的不同形式， 但是认为 某些形式的碳产生公开的铜 - 碳复合物， 而其它形式则不能。 0020 公开的铜-碳组合物中的铜可以是能够制备所公开的铜-碳组合物的任何铜或铜 合金。本领域技术人员将理解， 。
10、铜的选择由所得铜 - 碳组合物的预期应用所决定。例如， 当 需要高电导性时， 可以使用无氧、 高纯的铜金属， 而公开的铜 - 碳组合物可以在真空中或在 无氧且不导电气体的覆盖下形成。 0021 一方面， 公开的铜 - 碳组合物可包含按重量计至少约 0.01的碳。另一方面， 公 开的铜 - 碳组合物可包含按重量计至少约 0.1的碳。另一方面， 公开的铜 - 碳组合物可 包含按重量计至少约 1的碳。另一方面， 公开的铜 - 碳组合物可包含按重量计至少约 5 的碳。另一方面， 公开的铜 - 碳组合物可包含按重量计至少约 10的碳。另一方面， 公开的 铜 - 碳组合物可包含按重量计至少约 20的碳。另。
11、一方面， 公开的铜 - 碳组合物可包含按 重量计至少约 53的碳。 0022 如本文所用， 术语 “单相” 和 “相分离” 涉及通过肉眼或仅稍微放大 ( 例如， 至多约 100 倍的放大倍数 ) 就可辨别的相。因此， 对于肉眼显示为单相、 但是在纳米尺度下观察时 显示两种不同的相的材料不应被认为具有两相。 0023 虽然不局限于任何特定理论， 现在还不知道公开的铜 - 碳材料的精确的化学结 构， 但是现在认为， 混合及施加电能的步骤导致铜和碳原子之间形成化学结合， 由此使得公 开的铜 - 碳组合物与已知的铜 - 碳复合物及铜和碳的溶体相比成为独特的。此外， 不局限 于任何特定理论， 认为公开的。
12、铜 - 碳材料可以是纳米材料。此外， 不局限于任何特定理论， 认为形成公开的铜 - 碳组合物所施加的电能 ( 例如电流 ) 的量应当足以引发铜和碳之间的 吸热化学反应。 0024 通过参考以下实施例， 将会更好地理解公开的铜 - 碳组合物。 实施例 说 明 书 CN 102482094 A 4 3/4 页 5 0025 实施例 1 0026 将石墨坩埚 ( 电接地 ) 置于气体加热炉中。坩埚装填有 100.795 盎司的 99.999 纯度的无氧、 高纯度 (“OFHP” ) 铜。从由 ThyssenKrupp Materials NA of Southfield， Michigan 获得的杆。
13、切割 OFHP 铜。 0027 一旦坩埚中的铜融化， 就将旋转式搅拌器的搅拌端插入到熔融的铜中， 开动旋转 式搅拌器以便在熔融的铜中形成涡流。在混合时， 将 142 克粉末状活性炭引入到熔融的铜 中。随着将活性炭加入到熔融的铜中， 少量的碳漏出。所用的粉末状活性炭是可从 Calgon Carbon Corporation of Pittsburgh， Pennsylvania 获得的-M 粉末状活性炭。测得 铜和碳的混合物温度约是 2335F。 0028 将固定到电弧焊机上的碳电极插入到熔融的铜和碳的混合物中。电弧焊机得自 The Lincoln Electric Company of Cle。
14、veland， Ohio。当继续将碳混入熔融的铜中时， 开 动电弧焊机以提供 135 安培电流通过熔融的铜和碳的混合物。作为电流的结果， 看见碳被 吸入铜中， 且所得到的铜 - 碳组合物几乎立即固化， 暗示发生了吸热反应。特别地， 坩埚中 的所得铜 - 碳组合物的温度迅速从约 2335F 回落到低于约 1980F。 0029 冷却后， 将铜 - 碳组合物移出坩埚， 通过肉眼观察到该组合物以单相存在。然后将 冷却的铜 - 碳组合物在坩埚中再熔融， 没有观察到相的分离 ( 即没有出现仅单独的碳相或 仅铜相 )。 0030 当铜 - 碳组合物处于熔融状态时， 可以获取钉状样品。钉状样品可以快速并容易。
15、 地辊压成薄片， 沿薄片边缘没有观察到破裂。 0031 实施例 2 0032 将石墨坩埚 ( 电接地 ) 置于感应炉中。该感应炉从 Pillar Induction Company of Brookfield， Wisconsin 获得。坩埚装填有 20 磅从 ThyssenKrupp Materials NA 获得 的 C11000 铜。 0033 一旦坩埚中的铜融化， 将旋转式搅拌器的搅拌端插入到熔融的铜中， 开动旋转式 搅拌器以便在熔融的铜中形成涡流。在混合时， 在约 13 分钟的时间内将 154 克粉 末状活性炭加入到熔融的铜中。随着将活性炭加入到熔融的铜中， 少量的碳漏出。测得铜 和。
16、碳的混合物温度约是 2200F。 0034 将固定到 Lincoln 电弧焊机上的碳电极插入到熔融的铜和碳的混合物中。在继续 将碳混入熔融的铜中的同时， 开动电弧焊机以提供 230 安培电流通过熔融的铜和碳的混合 物。作为电流的结果， 看见碳被吸入铜中形成铜 - 碳组合物。在电流提供步骤中提供附加 的热量以避免铜 - 碳组合物快速固化及由此对旋转式搅拌器造成损害。 0035 冷却后， 将铜 - 碳组合物移出坩埚， 通过肉眼观察到该组合物以单相存在。然后将 冷却的铜 - 碳组合物在坩埚中再熔融， 没有观察到相的分离。 0036 实施例 3( 比较例 ) 0037 将石墨坩埚 ( 电接地 ) 置于。
17、气体加热炉中。坩埚装填有 100.2 盎司的 99.9纯度 的铜， 该铜从 ThyssenKrupp Materials NA 获得。 0038 一旦坩埚中的铜融化， 将旋转式搅拌器的搅拌端插入到熔融的铜中， 开动旋转式 搅拌器以便在熔融的铜中形成涡流。在混合时， 将 14 克膨胀石墨加入到熔融的铜中。测得 铜和膨胀石墨的混合物温度约是 2247F。 说 明 书 CN 102482094 A 5 4/4 页 6 0039 将固定到 Lincoln 电弧焊机上的碳电极插入到熔融的铜和膨胀石墨的混合物中。 在继续将膨胀石墨混入熔融的铜中的同时， 开动电弧焊机以提供 240 安培电流通过熔融的 铜和。
18、膨胀石墨的混合物。一旦提电流提供流， 就没有观察到温度下降。 0040 冷却后， 观察到坩埚中存在铜相和碳相， 因此认为没有形成公开的铜 - 碳组合物。 0041 因此， 公开的铜 - 碳组合物将大量的特定含碳材料纳入到铜金属中以形成单相材 料， 其中当材料冷却及随后再熔融时， 含碳材料不会与铜相分离。 0042 虽然已经显示和描述了所公开的铜 - 碳组合物的各个方面， 但是经阅读本说明 书， 本领域技术人员可做出修正。本发明包括这些修正， 且仅受限于权利要求的范围。 说 明 书 CN 102482094 A 6 1/4 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 102482094 A 7 2/4 页 8 图 2 说 明 书 附 图 CN 102482094 A 8 3/4 页 9 图 3 说 明 书 附 图 CN 102482094 A 9 4/4 页 10 图 4 说 明 书 附 图 CN 102482094 A 10 。