一种锆铝碳陶瓷颗粒增强铜基复合材料及其制备方法 【技术领域】
本发明涉及陶瓷颗粒增强金属基复合材料领域，具体为一种粉末冶金的方法制备具有高导电和高耐磨性能的锆铝碳(Zr2Al3C4)陶瓷颗粒强化铜基复合材料的方法。
背景技术
铜基材料具有优异的导电、导热性能、良好的摩擦性能和低廉的成本，因而被应用于航天、航空、航海、电子和磁学等诸多领域，例如电触头、电刷、主动冷却构件、电子元件、电极、低速重载条件下的摩擦材料等等。但由于纯铜的强度、硬度和耐磨性偏低，限制了其广泛应用。合金化可以改善铜基材料的力学性能，然而合金元素的大量添加会显著降低其导电性。文献1：德国金属学报(Zeitschrift für Metallkunde.47，347(1956))中Pawlek等人讨论了不同合金元素的添加对金属铜的电导的影响，其中常用的硅、铬和铁等元素显著降低了铜的电导。另一个可供选择的、既可以改善铜的机械性能又不对电导有严重损害的方法，是在金属铜中添加导电的、硬的第二相陶瓷颗粒，如TiB2、TiC等。文献2：材料快报(Scripta Materialia 39，1063(1998))中Lee等人报道在铜中添加导电的碳化物颗粒可以在提高铜强度的同时保持铜的高导电率。锆铝碳陶瓷(Zr2Al3C4)是一种新型的三元陶瓷材料。文献3：美国陶瓷学会会刊(Journal of American CeramicSociety 90，3687(2007))中He等人报道Zr2Al3C4陶瓷具有低密度、高电导、高模量、高断裂韧性和优异的高温力学性能等优点。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种高导电、高强度和高耐磨锆铝碳陶瓷(Zr2Al3C4)颗粒强化铜基复合材料的制备方法。这种方法操作简单、工艺条件容易控制、成本低。
本发明的技术方案是：
一种锆铝碳陶瓷颗粒增强铜基复合材料，利用均匀弥散分布在铜中的锆铝碳陶瓷(Zr2Al3C4)颗粒对铜进行强化。合成一系列颗粒强化铜基复合材料，其中锆铝碳陶瓷的含量为5～15vol.％。
所述利用锆铝碳陶瓷颗粒强化铜基复合材料的制备方法，以锆铝碳陶瓷(Zr2Al3C4)为原料，将制得的锆铝碳陶瓷颗粒用行星式球磨方法球磨5～50小时(优选为10～30小时)，球磨机转速为100～500转/分钟(优选为200～300转/分钟)，得到平均颗粒尺寸为2～5微米的粉末；再将得到的锆铝碳陶瓷粉末按预定比例(5～15vol.％)与铜粉混合；混合粉末经行星式球磨方法球磨5～20小时后，装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为3～20MPa(优选为5～10MPa)冷压时间5～10分钟；在通有保护气氛的热压炉内烧结，升温速率为2～30℃/min(优选为10～20℃/min)，烧结温度为700～1000℃(优选为800～900℃)，烧结时间为0.2～2小时(优选为0.5～1小时)，烧结压强为20～40MPa(优选为30～35MPa)。从而，本发明可以在较简单的工艺下制备出具有高强度、高耐磨的锆铝碳陶瓷颗粒强化铜基复合材料。
所述加入的铜粉粒度范围为20～40微米；所述烧结方式为热压烧结或热等静压烧结；所述惰性气体为氩气；所述行星式球磨方法为在玛瑙球磨罐中球磨。
本发明的优点是：
1、力学性能好。采用本发明方法制备的锆铝碳陶瓷颗粒强化铜基复合材料能够实现超细增强相的均匀分布，提高了增强相与基体之间的界面结合。利用本发明，锆铝碳陶瓷(Zr2Al3C4)颗粒强化铜基复合材料的硬度、弯曲强度均比纯铜有很大的提高。
2、工艺简单，成本低。本发明采用粉末冶金的方法进行，成本比较低，可以制得近尺寸的样品；同时，材料在较低温度和压强下即可以制备。
3、采用本发明，锆铝碳陶瓷颗粒强化铜基复合材料保持了金属铜优异的电学性能；此外，该复合材料具有良好的耐磨性能。因而，在电触头、电刷、主动冷却构件、电子元件、电极、摩擦材料等方面都具有潜在的广泛应用前景。
【附图说明】
图1为复合材料的相对密度随增强相含量的增加变化的趋势。
图2为锆铝碳颗粒强化铜基复合材料的电阻率随增强相含量增加的变化曲线。
图3为锆铝碳陶瓷颗粒强化铜基复合材的弯曲强度和硬度随增强相含量的变化曲线。
图4为稳态摩擦系数随增强相含量增加的变化趋势。
图5为滑动摩擦磨损率随增强相含量增加的变化趋势。
【具体实施方式】
下面通过实例详述本发明。
实施例1
首先，以锆铝碳陶瓷为原料，采用行星式球磨方法球磨12小时，球磨机转速为300转/分钟，得到平均颗粒尺寸为2～5微米的粉末；然后，将得到的平均颗粒尺寸为2～5微米的锆铝碳陶瓷(Zr2Al3C4)粉4.14克、铜粉129.49克在球磨罐中球磨10小时，之后装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为10MPa，冷压时间5～10分钟；然后，放入热压炉中热压烧结，升温速率为20℃/分钟，加热到900℃保温1.5小时，同时压力逐渐加到35MPa。整个烧结过程在氩气保护下进行。获得的反应产物经X射线衍射分析为铜和锆铝碳陶瓷(Zr2Al3C4)两相，锆铝碳陶瓷(Zr2Al3C4)均匀弥散分布在铜中。根据原始配比，其中的锆铝碳陶瓷含量为5vol.％。由阿基米德法测得的密度为8.72g/cm3，为理论密度的99.7％。Cu-5vol.％Zr2Al3C4复合材料的室温电阻为1.98μΩ·cm，布氏硬度为HRB＝40.7，弯曲强度为353.7MPa。
实施例2
首先，以锆铝碳陶瓷为原料，采用行星式球磨方法球磨18小时，球磨机转速为200转/分钟，得到平均颗粒尺寸为2～5微米的粉末；然后，将得到的将平均颗粒尺寸为2～5微米的锆铝碳陶瓷(Zr2Al3C4)粉13.23克、铜粉113.54克在球磨罐中球磨15小时，之后装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为15MPa，冷压时间10分钟；然后，放入热压炉中热压烧结，升温速率为10℃/分钟，加热到800℃保温2小时，同时压力逐渐加到30MPa。整个烧结过程在氩气保护下进行。获得的反应产物经X射线衍射分析为铜和锆铝碳陶瓷(Zr2Al3C4)两相，锆铝碳陶瓷(Zr2Al3C4)均匀弥散分布在铜中。根据原始配比，其中锆铝碳陶瓷含量为15vol.％。由阿基米德法测得的密度为8.05g/cm3，为理论密度的96.8％。Cu-15vol.％Zr2Al3C4复合材料的室温电阻为2.71μΩ·cm，布氏硬度为HRB＝55.5，弯曲强度为309.2MPa。
实施例3
首先，以锆铝碳陶瓷为原料，采用行星式球磨方法球磨16小时，球磨机转速为270转/分钟，得到平均颗粒尺寸为2～5微米的粉末；然后，将得到的将平均颗粒尺寸为2～5微米的锆铝碳陶瓷(Zr2Al3C4)粉7.48克、铜粉125.52克在球磨罐中球磨10小时，之后装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为20MPa，冷压时间10分钟；然后，放入热压炉中热压烧结，升温速率为10℃/分钟，加热到850℃保温1小时，同时压力逐渐加到30MPa。整个烧结过程在氩气保护下进行。获得的反应产物经X射线衍射分析为铜和锆铝碳陶瓷(Zr2Al3C4)两相，锆铝碳陶瓷(Zr2Al3C4)均匀弥散分布在铜中。根据原始配比，其中锆铝碳陶瓷含量为10vol.％。由阿基米德法测得的密度为8.33g/cm3，为理论密度的97.7％。Cu-10vol.％Zr2Al3C4复合材料的室温电阻为2.26μΩ·cm，布氏硬度为HRB＝49.5，弯曲强度为273.2MPa。
实施例4
对制备的一系列(5vol.％、10vol.％和15vol.％)Cu/Zr2Al3C4复合材料的摩擦性能进行测试。在无润滑剂的条件下，采用销盘式的摩擦形式，对磨副选用热处理后的GCr15(HRC＝62～64)。实验载荷为5N，滑动速度为15m/min，滑动距离为300m。对于Cu-10vol.％Zr2Al3C4复合材料其稳态摩擦系数为0.721，磨损率为0.48×10-10mm3/m。
比较例
采用与实施例1相同的工艺制备了纯铜，同样工艺制备的纯铜的室温电阻为1.92μΩ·cm，布氏硬度为HRB＝28。由阿基米德法测得的密度为8.93g/cm3，为理论密度的99.9％。稳态摩擦系数为0.946，磨损率为1.38×10-10mm3/m。可见，锆铝碳陶瓷(Zr2Al3C4)颗粒强化铜基复合材料具有比纯铜更好的力学性能和摩擦性能，并保持了纯铜的高导电性能。这说明锆铝碳陶瓷颗粒增强铜基复合材料是一种高强度、高导电和高耐磨的复合材料。
图1表示的是复合材料的相对密度随增强相含量的增加变化的趋势，当锆铝碳陶瓷颗粒加入量达到15vol.％时，复合材料的相对密度仍然接近97％。图1内插入图为Cu-15vol.％Zr2Al3C4复合材料的所对应X射线衍射图，可见复合材料中没有杂质相存在，仅含有铜和锆铝碳陶瓷两相。
图2表示的是锆铝碳颗粒强化铜基复合材料的电阻率随增强相含量增加的变化趋势。复合材料的电阻与纯铜相当，即使增强相含量达到15vol.％，复合材料的电导率仍然保持了纯铜电导率的70.8％。
图3为锆铝碳陶瓷颗粒强化铜基复合材的弯曲强度和硬度随增强相含量的变化。材料硬度随增强相含量增加显著增大，而弯曲强度也保持在较高的水平。
图4为稳态摩擦系数随增强相含量增加的变化趋势，复合材料的摩擦系数较纯铜有显著降低。
图5为滑动摩擦磨损率随增强相含量增加的变化趋势，复合材料的摩擦磨损率较纯铜有显著降低。
由实施例1、实施例2、实施例3、实施例4和比较例可见，本发明可以在简单的制备工艺下原位制备出锆铝碳陶瓷强化铜基复合材料，所制备的锆铝碳陶瓷颗粒强化铜基复合材料具有高导电、高硬度、高强度和高耐磨的优点。