一种具有微观定向结构的铜钨复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种具有微观定向结构的铜钨复合材料及其制备方法。该复合材料由质量分数为30％～97％的钨和铜组成，微观定向结构表现为钨和铜以片层形式沿特定方向相间排列。采用浆料配制、冷冻铸造、真空冷冻干燥、去有机质和烧结以及骨架熔渗的工艺流程制备具有微观定向结构的铜钨复合材料，并且材料中的钨含量可以通过对坯体或骨架沿垂直于片层的方向进行压缩处理加以控制。本发明专利技术的复合材料具有各向异性的力学性能和功能特性，特别是在沿片层方向上具有强度高、硬度大、导电和导热性能优良的特点以及优异的耐电弧烧蚀和抗电冲击性能。该复合材料有望用作电触头材料以显著提高其使用效果，延长使用寿命，减轻构件质量并降低能源损耗。

【技术实现步骤摘要】
一种具有微观定向结构的铜钨复合材料及其制备方法
本专利技术涉及铜钨复合材料领域，具体为一种主要用作电触头材料的具有微观定向结构的铜钨复合材料及其制备方法。
技术介绍
电触头是负荷开关、断路器、仪器仪表中至关重要的接触元件，主要担负着电路的接通与断开以及负载电流的任务，其性能直接影响到电器仪表的质量及使用寿命。特别是，(特)高压输电等电力系统能够为我国经济社会的发展提供基础和动力，而电触头的综合性能和可靠性直接影响到整个电力系统的正常高效运行，因此对于保障国家的能源安全具有重要意义。电触头的性能主要取决于制备触头所用的材料。电触头材料在接通、负载以及断开等服役过程中所处的环境十分苛刻，受到电弧、热、力、摩擦以及气氛等共同作用，这对于电触头材料的综合性能提出严格的要求。理想的电触头材料至少应该满足以下性能要求：1)物理性能：高熔点以及良好的导电性、导热性和热稳定性；2)力学性能：高的硬度及室温与高温强度，良好的塑性、韧性以及耐磨损性能；3)电接触性能：良好的耐电弧烧蚀、抗熔焊和抗电冲击性能以及较低的接触电阻。铜钨复合材料是由钨和铜组成的具有双相结构的金属材料，由于钨和铜的熔点相差很大并且互不相溶，所以两种金属相几乎都以单质的形式存在于复合材料中，这使得铜钨复合材料能够综合两种金属相的诸多性能优势，如钨的高熔点和热稳定性、高强度、低的热膨胀系数以及铜良好的导电性和导热性等，从而表现出较高的硬度及室温和高温强度、良好的导电与导热性以及优异的抗电弧烧蚀与抗熔焊等特性，因此作为电触头材料被广泛应用于高压输电等诸多领域。由于钨和铜的物性相差较大，采用传统的粉末冶金工艺制备铜钨复合材料在烧结时容易发生膨胀收缩不匹配等问题，因而难以烧结致密，微观缺陷多，从而影响复合材料的力学和导电导热性能。目前，铜钨复合材料应用最为广泛的制备工艺是熔渗法，即将钨粉体压制成的坯体在一定温度下进行烧结形成具有一定强度的多孔钨骨架，再将熔融的金属铜浸渗入钨骨架中，从而得到致密的铜钨复合材料。中国专利(公开号CN102312146B)公开一种CuW70触头材料的制备方法，将一定比例的诱导铜粉加入到钨粉中混匀，利用冷等静压将混合粉体压制成坯体，随后经烧结骨架和熔渗铜相制备得到CuW70触头材料。利用该方法得到的铜钨复合材料两相分布均匀，从而具有良好的耐烧蚀性能。中国专利(CN106011510A)公开一种铜钨触头材料的制作方法，包括以下步骤：1)将钨粉、铜粉以及粘结剂混合均匀；2)将混合粉通过筛网过筛后进行分散晾晒；3)将晾晒后的混合粉倒入石墨模具中，利用SPS工艺在真空条件下加压烧结；4)利用SPS工艺在更高温度和真空压力条件下进行二次烧结；5)对二次烧结后的材料进行保温处理，得到铜钨触头材料。该制作方法可以缩短铜钨触头材料的生产周期。中国专利(公开号CN104795264A)公开一种高压开关用耐弧铜钨触头的制造方法，包括以下步骤：1)将钨粉放置于还原气氛下保温处理提高其表面活性；2)将活性钨粉、造孔剂和溶剂油在真空条件下充分混合得到钨胶体粉；3)利用金属模将钨胶体粉单向压制成骨架粉坯；4)去除造孔剂并烧结钨骨架坯体；5)利用熔融的金属铜浸渗坯体得到铜钨复合材料；6)利用电子束将铬青铜棒与铜钨复合材料焊接成整体触头。该方法制造的耐弧铜钨触头具有安全可靠、耐久性和稳定性好的特点。中国专利(公开号CN106180653A)公开一种放电等离子烧结制备铜钨触头材料的方法，将钨粉倒入石墨模具中，在真空与加压条件下利用等离子体烧结得到钨骨架，利用超声清洗、激光扫描和等离子体处理熔渗用铜块，然后在高温下用熔融的金属铜浸渗钨骨架，最后对铜钨烧结体进行真空热压处理，得到铜钨触头材料。该方法有降低生产成本和缩短生产周期的优点。分析现有的电触头用铜钨复合材料及其制备方法可知，目前制备的铜钨复合材料中钨和铜两相在三维空间总是均匀分布，复合材料在微观结构和性能上均表现为各向同性，即钨相和铜相在空间上没有特定的优先取向，因而两相的性能优势无法集中在某些特定的方向上得以发挥。同时，尽管钨、铜两相在三维空间均相互连通，但其连通的路径沿任意方向都非常狭窄并且曲折，因此都无法实现良好的力学和导电、导热性能。具体来说，铜相较差的连通性影响复合材料的导电性和导热性，而钨相较差的连通性则不利于复合材料的硬度、强度和耐电弧烧蚀性能。然而，在实际服役条件下，电流在电触头材料中往往仅沿某一特定方向传导，因而主要对材料沿该方向的性能提出特定要求，如导电性、导热性、耐电弧烧蚀性能等。与之相似，电触头材料在实际使用过程中所受的载荷也主要位于与导电方向一致的某些特定方向或平面上，因此主要对电触头材料沿该方向的力学性能提出要求，如硬度、室温和高温强度、耐磨性等。因此，目前制备的铜钨复合材料的微观结构和性能与其实际使用要求明显不相符。此外，由于均匀、各向同性的微观结构无法在材料中引入有效的塑化和韧化机制，相对较脆的钨相的引入在强化材料的同时往往会引起复合材料的塑性和韧性的显著降低，特别是对于钨含量较高的材料，过低的塑性与韧性会影响其实际使用效果与寿命。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有微观定向结构的铜钨复合材料及其制备方法，通过微观结构设计显著提高铜钨复合材料的力学性能和功能特性，特别是沿实际使用方向的硬度、强度、高温强度以及导电、导热和耐电弧烧蚀性能，并通过新型制备工艺的开发与应用实现复合材料中微观定向结构的构筑与控制，从而提供一种新型的高性能电触头材料与相应的制备方法，提升其使用效果并降低能源损耗。为了实现上述目的，本专利技术所采取的技术解决方案如下：一种具有微观定向结构的铜钨复合材料，所述的复合材料由铜和钨组成，以质量百分数计，钨含量为30％～97％，其余为铜；所述的复合材料微观上具有定向结构，表现为铜和钨以片层形式沿特定方向相间排列，钨的片层厚度为0.2～80μm，片层间距为0.1～100μm。所述的复合材料具有各向异性的力学性能和功能特性，沿片层方向表现出最佳的硬度、强度和电导率，其沿片层方向的硬度为1～4GPa，电导率为15％～85％IACS，室温压缩强度为200～1500MPa，500℃高温条件下的压缩强度为120～800MPa。所述的具有微观定向结构的铜钨复合材料的制备方法，包括以下步骤：(A)浆料配制：将钨粉体和添加剂加入水中并充分混合，得到均匀分散的水基浆料；(B)冷冻铸造：利用冷冻铸造工艺处理浆料，使浆料中的水发生定向凝固，从而将钨粉体和添加剂排挤到冰层之间，使其定向排列形成微观片层结构；(C)真空冷冻干燥：对凝固的浆料脱模后进行真空冷冻干燥处理，去除其含有的水分，得到具有微观定向的片层结构的多孔坯体；(D)去有机质和烧结：利用高温处理去除坯体中含有的有机质，对去有机质后的坯体进行高温烧结，得到具有微观定向的片层结构的多孔钨骨架；(E)骨架熔渗：高温下利用熔融的金属铜浸渗烧结后的钨骨架，以铜熔体填充钨骨架孔隙，凝固冷却后切除多余的铜，得到具有微观定向结构的铜钨复合材料。所述的复合材料中的钨含量通过沿垂直于片层的方向压缩真空冷冻干燥后的坯体或烧结后的钨骨架加以控制，压缩变形量为0～90％，压缩变形量越大，最终制备得到的复合材料中的钨含量越高；坯体的压缩工艺为：用含有机质本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有微观定向结构的铜钨复合材料，其特征在于，所述的复合材料由铜和钨组成，以质量百分数计，钨含量为30％～97％，其余为铜；所述的复合材料微观上具有定向结构，表现为铜和钨以片层形式沿特定方向相间排列，钨的片层厚度为0.2～80μm，片层间距为0.1～100μm。

【技术特征摘要】
1.一种具有微观定向结构的铜钨复合材料，其特征在于，所述的复合材料由铜和钨组成，以质量百分数计，钨含量为30％～97％，其余为铜；所述的复合材料微观上具有定向结构，表现为铜和钨以片层形式沿特定方向相间排列，钨的片层厚度为0.2～80μm，片层间距为0.1～100μm。2.根据权利要求1所述的具有微观定向结构的铜钨复合材料，其特征在于，所述的复合材料具有各向异性的力学性能和功能特性，沿片层方向表现出最佳的硬度、强度和电导率，其沿片层方向的硬度为1～4GPa，电导率为15％～85％IACS，室温压缩强度为200～1500MPa，500℃高温条件下的压缩强度为120～800MPa。3.一种权利要求1至2之一所述的具有微观定向结构的铜钨复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(A)浆料配制：将钨粉体和添加剂加入水中并充分混合，得到均匀分散的水基浆料；(B)冷冻铸造：利用冷冻铸造工艺处理浆料，使浆料中的水发生定向凝固，从而将钨粉体和添加剂排挤到冰层之间，使其定向排列形成微观片层结构；(C)真空冷冻干燥：对凝固的浆料脱模后进行真空冷冻干燥处理，去除其含有的水分，得到具有微观定向的片层结构的多孔坯体；(D)去有机质和烧结：利用高温处理去除坯体中含有的有机质，对去有机质后的坯体进行高温烧结，得到具有微观定向的片层结构的多孔钨骨架；(E)骨架熔渗：高温下利用熔融的金属铜浸渗烧结后的钨骨架，以铜熔体填充钨骨架孔隙，凝固冷却后切除多余的铜，得到具有微观定向结构的铜钨复合材料。4.根据权利要求3所述的具有微观定向结构的铜钨复合材料的制备方法，其特征在于，所述的复合材料中的钨含量通过沿垂直于片层的方向压缩真空冷冻干燥后的坯体或烧结后的钨骨架加以控制，压缩变形量为0～90％，压缩变形量越大，最终制备得到的复合材料中的钨含量越高；坯体的压缩工艺为：用含有机质的溶液浸渗真空冷冻干燥后的坯体，坯体干燥后在其片层表面形成一层包覆的有机质，该含有机质的溶液为含质量分数为0.5～10％的聚甲基丙烯酸甲酯的丙酮溶液，然后沿垂直于片层的方向在有机质的软化温度以上压缩坯体；在对压缩后的钨骨架进行熔渗前，按照所述的步骤(D)的操作对压缩后的钨骨架进行二次烧结处理以提高钨骨架的强度。5.根据权利要求3所述的具有微观定向结构的铜钨复合材料的制备方法，其特征在于，所述的添加剂包括烧结助剂、有机粘结剂和分散剂，该烧结助剂为铜粉体，添加量为钨粉体质量的0～18％，铜粉体的添加在不引入杂质的前提下促进钨骨架的烧结；该有机粘结...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘增乾，谈国旗，张哲峰，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21