一种表面改性晶须增强铜基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种表面改性晶须增强铜基复合材料及其制备方法，所述表面改性Si3N4晶须增强铜基复合材料中以表面改性Si3N4晶须作为增强相，以铜或铜合金作为基体相，所述表面改性Si3N4晶须为表面包覆有金属层的Si3N4晶须。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种表面改性P -Si3N4晶须增强铜基复合材料及其制备方法，具有良 好的力学、热学和耐磨性能，同时具有较低的热膨胀系数，属于导热、导电、摩擦材料以及精 密机械部件领域。
技术介绍
现代航空航天、电子、汽车以及先进武器系统等的迅速发展，对材料的性能提出更 高的要求，传统单一的结构材料日益难以满足轻质、高强的需求，材料的复合化成为材料发 展的一个重要方向。铜及其合金材料在机械传动、车辆制动、发动机散热系统等领域中具有 广泛应用，但是其诸如高密度、低耐磨、低模量、高膨胀等一系列缺点，限制了该类材料在高 性能飞机、汽车以及其他一些机械系统中的应用。基于以上的不足，发展具有高强度、高模 量、良好耐磨性能、良好的抗疲劳性能、热膨胀系数小、密度低的铜基复合材料变得尤为迫 切。P -Si3N4晶须增强铜基复合材料是以P -Si3N4晶须为增强相，以铜及其合金为基体制 备的一种兼具金属铜（合金）与P-Si3N4晶须的综合性能的复合材料。该类材料具有强度 高、硬度大、耐磨性好、热膨胀系数小、密度低等优点，因而受到研究者的广泛关注。 e -Si3N4晶须可以显著提高材料的机械性能，但是e -Si3N4晶须与Cu基体的界 面润湿性较差，结合强度较低。另外，在烧结温度条件下，P-Si3N4晶须的反应活性较低， 处于惰性状态，因此难以形成较强的反应性结合，从而不利于材料的致密化，也极大限制了 3-Si3N4晶须的增强效率。近年来，关于陶瓷相增强金属基复合材料研究的一个重要工作 内容就是提高陶瓷相与金属基体的界面结合强度。 目前常用的解决方法是基体合金化。基体合金化是在金属基体中加入熔点较低、 反应活性较强的金属元素，使得材料在制备过程中出现一定的液相促进材料的致密化，或 者与陶瓷表面产生反应性结合，从而提高界面结合强度。基体合金化是一种简单有效的方 法，但是弊端也非常明显。尤其是在Cu基复合材料的制备中，基体合金化降低了金属基体 的纯度，使得材料的热导率、电导率等功能特性显著降低，在对这些功能特性要求较高的领 域中有着极大的应用限制。 因此，如何通过简便易行的方式，提高陶瓷相与金属基体的界面结合强度，为本领 域技术人员的一个重要研究方向之一。
技术实现思路
本专利技术旨在进一步提高现有P -Si3N4晶须增强铜基复合材料的性能参数，本专利技术 提供了一种表面改性Si3N4晶须增强铜基复合材料，所述表面改性Si3N 4晶须增强铜基复合 材料中以表面改性Si3N4晶须作为增强相，以铜或铜合金作为基体相，所述表面改性Si 3N4晶 须为表面包覆有金属层的Si3N4晶须。 较佳地，所述 Si3N4 晶须包括 a -Si3N4、P -Si3N4 和 / 或 Y -Si3N4。 较佳地，构成所述金属层的金属包括Cu、Ag、Ni、Cr和/或者Co,Si3N4晶须与金属 层的体积比为10:1至100:1，优选30:1至70:1。 较佳地，所述表面改性Si3N4晶须增强铜基复合材料中，增强相体积分数为1 %? 40%，基体相体积分数为60%?99% (注：在复合材料制备中，由于各相的密度差，体积分 数应用更广泛，金属层的体积可以在电镜下观察计量得到，也可以由质量计算得到，在本专 利中，体积比与性能的关系更直接）。 又，本专利技术还提供了一种上述表面改性Si3N4晶须增强铜基复合材料的制备方法， 所述方法包括： 1)将表面沉积有金属层的Si3N4晶须，与铜粉或铜合金粉末进行球磨混合，得到原料粉 末；2)将步骤1)制备的原料粉末，采用热压烧结或无压烧结，制备得到所述表面改性Si3N4晶须增强铜基复合材料。 较佳地，步骤1)中，在Si3N4晶须表面沉积金属层的方式包括化学镀，所述Si 3N4晶 须的直径为〇. 1- 5微米，长度为1-15微米，晶须长径比介于3?40。 较佳地，步骤1)中，铜粉或铜合金粉末粒径为Iym?IOOii m。 较佳地，步骤1)中，球磨时间3-24小时。 较佳地，步骤2)中，热压烧结工艺参数包括：700°C?1000°C，压力为5MPa? 40MPa，保温时间0. 5?4小时，气氛可以是真空或者惰性保护气氛；无压烧结工艺参数包 括：先在5MPa?30MPa压力下将原料粉末预压成型，然后在IOOMPa?300MPa压力下进行 冷等静压处理，最后在温度为700°C?1000°C，保温时间0. 5h?4h，气氛可以是真空或者惰 性保护气氛。 本专利技术的有益效果： 本专利技术公开了一种以表面改性P-Si3N4晶须为增强体，Cu或Cu合金为基体的铜基复 合材料及其制备方法。采用Cu、Ag、Ni等金属对P -Si3N4晶须进行表面包覆，改善P -Si3N4晶须与金属基体的界面结合性能，使复合材料的相对密度、力学性能、热学性能等均具有 较大提高。实验结果表明，经过金属包覆处理后，晶须含量为10%的铜基复合材料致密度 由93.81%提高至96.46%，硬度由67.9111^提高至74.8111^，抗弯强度由25810^提高到 327MPa，室温热导率由155W ? m ? IT1提高至273W ? m ? IT1，同时材料具有较低的热膨胀系 数，有助于提高材料在变温条件下应用时的尺寸稳定性。该方法改善了材料的力学、热学性 能，可显著提高铜基复合材料在精密机械、高速列车闸片、电机电刷、机械传动、电子封装材 料等领域应用的可靠性和耐久性。 【附图说明】 图1示出了本专利技术的一个实施方式中使用的P-Si3N4晶须形貌，直径约为0.2 ilm， 长度1?3 y m ; 图2示出了本专利技术实施例1，2,3,4的Ag包覆P-Si3N4晶须形貌，其中，实施例1中Ag 包覆P -Si3N4晶须形貌为（a)，实施例2中Ag包覆P -Si3N4晶须形貌为（b)，实施例3中Ag 包覆@ -Si3N4晶须形貌为（c)，实施例4中Ag包覆@ -Si3N4晶须形貌为⑷； 图3示出了在900°C保温lh、压力25MPa条件下制备的晶须体积分数为10%，Ag镀层 体积分数分别为〇、〇. 15%、0. 30%、0. 58%和1. 17%的铜基复合材料的断口形貌，其中（a) 为Ag镀层体积分数分别为0的铜基复合材料的断口形貌，（b)为Ag镀层体积分数分别为 0. 15%的铜基复合材料的断口形貌，（C)为Ag镀层体积分数分别为0. 30%的铜基复合材料 的断口形貌，（d)为Ag镀层体积分数分别为0.58%的铜基复合材料的断口形貌，（e)为Ag 镀层体积分数分别为1. 17%的铜基复合材料的断口形貌； 图4示出了在900°C保温lh、压力25MPa条件下，制备的晶须体积分数为10%，Ag镀层 体积分数分别为〇、〇. 15%、0. 30%、0. 58%和1. 17%的铜基复合材料的热导率-温度曲线， 其中（a)为Ag镀层体积分数分别为0的铜基复合材料的热导率-温度曲线，（b)为Ag镀 层体积分数分别为〇. 15%的铜基复合材料的热导率-温度曲线，（c)为Ag镀层体积分数分 别为0. 30 %的铜基复合材料的热导率-温度曲线，（d)为Ag镀层体积分数分别为0. 58% 的铜基复合材料的热导率-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种表面改性Si3N4晶须增强铜基复合材料，其特征在于，所述表面改性Si3N4晶须增强铜基复合材料中以表面改性Si3N4晶须作为增强相，以铜或铜合金作为基体相，所述表面改性Si3N4晶须为表面包覆有金属层的Si3N4晶须。

【技术特征摘要】
1. 一种表面改性Si3N4晶须增强铜基复合材料，其特征在于，所述表面改性Si 3N4晶须 增强铜基复合材料中以表面改性Si3N4晶须作为增强相，以铜或铜合金作为基体相，所述表 面改性Si3N4晶须为表面包覆有金属层的Si3N4晶须。2. 根据权利要求1所述的表面改性Si3N4晶须增强铜基复合材料，其特征在于，所述 Si3NueH须包括 a - Si3N4、Si3N4 和 / 或 y - Si3N4。3. 根据权利要求1或2所述的表面改性Si3N4晶须增强铜基复合材料，其特征在于，构 成所述金属层的金属包括Cu、Ag、Ni、Cr和/或者Co, Si3N4晶须与金属层的体积比为10:1 至 100:1,优选 30:1 至 70:1。4. 根据权利要求1-3中任一所述的表面改性Si3N4晶须增强铜基复合材料，其特征在 于，所述表面改性Si3N4晶须增强铜基复合材料中，增强相体积分数为1%?40%，基体相体 积分数为60%?99%。5. -种权利要求1-4中所述表面改性Si3N4晶须增强铜基复合材料的制备方法，其特 征在于，所述方法包括： 1) 将表面沉积有金属层的Si3N4晶须，与铜粉或铜合金...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾宇平，尹金伟，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31