一种多步球磨与多步气相还原制备纳米陶瓷颗粒弥散强化铜基复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种多步球磨与多步气相还原制备纳米陶瓷颗粒弥散强化铜基复合材料的制备方法，通过采用多步球磨与多步气相还原及放电等离子烧结技术相结合的方式，合理的控制工艺，可实现纳米陶瓷颗粒在超细晶铜基体中弥散分布。该方法为一种全新的铜基复合材料制备方法，克服了直接外加纳米强化相颗粒与铜粉混合过程中无法有效地实现纳米强化相在基体内均匀分散的问题，并可获得力学性能优异导电性能良好的陶瓷颗粒弥散强化铜基复合材料。

Preparation of nano-ceramic particle Dispersion-Reinforced copper matrix composites by multi-step ball milling and multi-step vapor reduction

The invention discloses a preparation method of nano-ceramic particle dispersion-strengthened copper matrix composites prepared by multi-step ball milling and multi-step gas phase reduction. By adopting a combination of multi-step ball milling and multi-step gas phase reduction and spark plasma sintering technology, a reasonable control process can realize the dispersion distribution of nano-ceramic particles in ultra-fine grain copper matrix. This method is a new preparation method of copper matrix composites. It overcomes the problem that the nano-reinforced phase can not be uniformly dispersed in the matrix effectively in the process of mixing directly with nano-reinforced phase particles and copper powder. Ceramic particle Dispersion-Reinforced copper matrix composites with excellent mechanical properties and good conductivity can be obtained.

【技术实现步骤摘要】
一种多步球磨与多步气相还原制备纳米陶瓷颗粒弥散强化铜基复合材料的制备方法
本专利技术涉及铜基复合材料
，特别是涉及一种多步球磨与多步气相还原结合制备纳米陶瓷颗粒弥散强化超细晶铜基复合材料，以及该材料的制备方法。
技术介绍
颗粒弥散强化铜基复合材料是一种通过人工设计与合成的方式，将铜的优良导电和导热性能与具有高硬度、高强度、高耐磨性和高温热稳定性强的强化相颗粒相结合，制备出能够满足不同工程需求的高性能材料。但如何有效实现铜与强化相颗粒之间性能的优良结合一直是研究的难点之一。其中一个重要的影响因素是如何使纳米级的陶瓷相颗粒均匀的分散于基体之中。目前，能较好地实现纳米陶瓷颗粒均匀分散在铜基中方法为原位合成法。专利公开号：CN106521205A，公开日：2017年3月22日公开的专利技术：将Cu-xAl(x=0.2～0.6%)合金粉与Cu2O进行混合后冷压成型再烧结，烧结过程中发生内氧化反应，制备出纳米Al2O3均匀分布于铜基体中的复合材料。专利公开号：CN102031401A，公开日：2011年4月27日公开的专利技术：以硝酸铝溶液和硝酸铜溶液混合后加入螯合剂柠檬酸制得凝胶，再加热自然蔓延得到纳米氧化铝与氧化铜色粉末，随后气氛还原再压制烧结成型制得Cu-xAl2O3(x=0.15～3%)复合材料。上述原位合成制备铜基复合材料的方法中，强化相体积分数普遍较低，且随着强化相体积分数的增加，工艺控制难度会逐渐加大，易出现原位生成的强化相局部粗化现象，从而不利于强化相在基体内均匀分布，并最终对产品的性能稳定性产生影响。因此，如何实现高体积分数下强化相颗粒在基体中均匀分布，在保持较为良好的导电性能基础上进一步提升铜基复合材料力学性能，对开发新型高强高导铜合金具有重要的战略意义。
技术实现思路
为了解决纳米陶瓷颗粒在基体中的弥散问题，本专利技术所提供了一种多步球磨与多步气相还原制备纳米陶瓷颗粒弥散强化超细晶铜基复合材料的方法，该方法可以有效实现纳米陶瓷颗粒在超细晶铜基体内的弥散分布，在具备良好的导电率同时，实现力学性能和高温抗软化性能的显著提升。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案实现：一种多步球磨与多步气相还原制备纳米陶瓷颗粒弥散强化铜基复合材料的制备方法，包括如下步骤：1）将铜氧化物粉、陶瓷强化相粉按比例混合,获得混粉；2）将上述混粉、硬质合金球以及无水乙醇装入硬质合金球磨罐中；3）将球磨罐放入行星球磨机中进行第一次高能球磨，获得纳米陶瓷强化相在纳米铜氧化物中均匀分散的前驱粉；4）将前驱粉放入石英管式炉中，抽真空，升温至保温温度点后通入还原性气体CO，对前驱粉体进行一次还原，保温结束后，随炉冷却至室温，得到铜粉与陶瓷颗粒均为纳米尺度的一级铜基复合粉；5）步骤4）的一级铜基复合粉与过程控制剂按一定比例混合后，再与硬质合金球装入硬质合金球磨罐；6）将球磨罐放入行星球磨机中中进行二次球磨，获得纳米陶瓷强化相弥散分布于微米铜粉上的铜基复合粉；7）步骤6）的铜基复合粉放入石英管式炉中，抽真空，升温至保温温度点后通入还原性气体H2，进行二次深度还原，保温结束后，随炉冷却至室温，得到二级铜基复合粉；8）将装有二级铜基复合粉的石墨模具放入放电等离子烧结炉内进行烧结，冷却后，得到纳米陶瓷颗粒弥散强化铜基复合材料。进一步，步骤1）中，氧化铜粉体为氧化铜或氧化亚铜，纯度＞99%，尺度均为纳米级。进一步，步骤1）中陶瓷强化相粉需均不与氢气和一氧化碳反应（如Al2O3、Y2O3、SiC、AlN、TiB2等），纯度≥99%，尺度均为纳米级，占全部粉末体积分数在1%-15%之间。进一步，步骤2）中，无水乙醇含量为m粉×1mL/g。进一步，步骤2）中，球料比为10:1～30:1，球磨罐密封后抽真空至15Pa。进一步，步骤3）中，球磨公转转速200～300r/min，球磨时间为2～12h。进一步，步骤4）中，抽真空使管内环境气压不超过15Pa；然后充入高纯氮气或其它高纯惰性气体至1atm，重复2～3次。进一步，步骤4）中，升温速率为4～6℃/min，保温温度选择区间为100～150℃，保温时间为0.25～2h，CO为高纯气氛，气流量为5～10mL/min。进一步，步骤4）中，过程控制剂可选择硬脂酸、聚乙烯醇、硅烷偶联剂等有机高聚物，根据不同过程控制剂，添加量为粉体总质量的0.5%～2%，球料比为10:1～30:1。进一步，步骤5）中，球磨转速100～300r/min，球磨时间为4～48h。进一步，步骤6）中，抽真空使管内环境气压不超过15Pa；然后缓慢充入高纯氮气或其它高纯惰性气体至1atm，重复2～3次。进一步，步骤6）中，升温速率为6～10℃/min，保温温度选择区间为300～500℃，保温时间为0.5～2h，H2为高纯气氛，气流量为5～10mL/min。进一步，步骤7）中烧结环境气压不超过10Pa。进一步，步骤7）中，升温速率为80～100℃/min。进一步，步骤7）中烧结温度为750～900℃。进一步，步骤7）中烧结保温时间为5～10min。进一步，步骤7）中烧结压力为35～50MPa。本专利技术的有益效果：通过采用多步高能球磨与多步气相还原及放电等离子烧结技术相结合的方式，合理的控制工艺，可实现纳米陶瓷颗粒在超细晶铜基体中弥散分布的复合材料。该方法为一种全新的铜基复合材料制备方法，克服了直接外将纳米强化相颗粒与铜粉混合过程中无法有效地分散纳米强化相于基体内的问题，并最终获得综合性能优异的陶瓷颗粒弥散强化铜基复合材料。附图说明图1为本专利技术方法制备的Cu-6.9vol%Al2O3复合材料块体中陶瓷颗粒在铜基体中分布背散射图（实施例1）。具体实施方式下面利用实施例对本专利技术进行更全面的说明。本专利技术可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。为更进一步阐述本专利技术为达到预定技术目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施例1～8，采用步骤3）和步骤5）中球磨转速、球磨时间、球料比，以及步骤4）与步骤6）的保温温度和保温时间，步骤7）中烧结温度、烧结时间及烧结压力，与对比例1～3进行对比。对本专利技术的工艺过程、特征以及功效进行详细说明如后。实施例中球料比为质量比。实施例11）将48.75g纳米氧化铜粉与1.25g纳米氧化铝粉进行简单混合，纳米氧化铝粉占混粉总体积的4%；2）将上述混粉、硬质合金球，球料比20:1以及50mL无水乙醇装入硬质合金球磨罐中。3）将球磨罐放入行星球磨机中，以球磨公转转速300r/min，球磨时间为2h进行第一次高能球磨；4）将球磨处理后的材料作为前驱粉。将前驱粉放入石英管式炉中，抽真空至15Pa，升温至100℃后通入还原性气体CO，对前驱粉体进行一次还原，保温120min后，随炉冷却至室温，得到铜粉与氧化铝颗粒均为纳米尺度的一级铜基复合粉；5）步骤4）的一级铜基复合粉与0.5g硬脂酸混合，在与球料比30:1的硬质合金球装入硬质合金球磨罐中；6）将球磨罐放入行星球磨机中,以球磨公转转速300r/min，球磨时间为8h进行二次球磨，获得纳米陶瓷强化相弥散分布于微米铜粉上的铜基复合粉；7）步骤6）的铜基复合粉放入石英管式炉中，抽真空至15Pa，升温至400℃后通入还原性气体H2，进行二次深度还原，保温1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多步球磨与多步气相还原制备纳米陶瓷颗粒弥散强化铜基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1）将铜氧化物、陶瓷颗粒按比例混合,获得混粉；2）将上述混粉、硬质合金球以及无水乙醇装入硬质合金球磨罐中；3）将球磨罐放入行星球磨机中进行第一次高能球磨，获得纳米陶瓷强化相在超细铜氧化物中均匀分散的前驱粉；4）将所述前驱粉放入石英管式炉中，抽真空，升温至保温温度点后通入还原性气体CO，对前驱粉体进行一次还原，保温结束后，随炉冷却至室温，得到铜与陶瓷颗粒均为纳米尺度的一级铜基复合粉；5）所述一级铜基复合粉与过程控制剂按一定比例混合，再与硬质合金球装入硬质合金球磨罐；6）将球磨罐装入行星球磨机中进行二次球磨，获得纳米陶瓷强化相弥散分布于微米铜粉上的铜基复合粉；7）步骤6）的铜基复合粉放入石英管式炉中，抽真空，升温至保温温度点后通入还原性气体H2，进行二次深度还原，保温结束后，随炉冷却至室温，得到二级铜基复合粉；8）将装有二级铜基复合粉的石墨模具放入放电等离子烧结炉内进行烧结，冷却后，得到纳米陶瓷颗粒弥散强化超细晶铜基复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种多步球磨与多步气相还原制备纳米陶瓷颗粒弥散强化铜基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1）将铜氧化物、陶瓷颗粒按比例混合,获得混粉；2）将上述混粉、硬质合金球以及无水乙醇装入硬质合金球磨罐中；3）将球磨罐放入行星球磨机中进行第一次高能球磨，获得纳米陶瓷强化相在超细铜氧化物中均匀分散的前驱粉；4）将所述前驱粉放入石英管式炉中，抽真空，升温至保温温度点后通入还原性气体CO，对前驱粉体进行一次还原，保温结束后，随炉冷却至室温，得到铜与陶瓷颗粒均为纳米尺度的一级铜基复合粉；5）所述一级铜基复合粉与过程控制剂按一定比例混合，再与硬质合金球装入硬质合金球磨罐；6）将球磨罐装入行星球磨机中进行二次球磨，获得纳米陶瓷强化相弥散分布于微米铜粉上的铜基复合粉；7）步骤6）的铜基复合粉放入石英管式炉中，抽真空，升温至保温温度点后通入还原性气体H2，进行二次深度还原，保温结束后，随炉冷却至室温，得到二级铜基复合粉；8）将装有二级铜基复合粉的石墨模具放入放电等离子烧结炉内进行烧结，冷却后，得到纳米陶瓷颗粒弥散强化超细晶铜基复合材料。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1）中，氧化铜粉体为氧化铜或氧化亚铜，纯度＞99%，尺度均为纳米级。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1）中纳米陶瓷颗粒为Al2O3、Y2O3、SiC、AlN、TiB2中的一种或几种混合，纯度≥99%，尺度均为纳米级，...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄斐，杨斌，汪航，
申请(专利权)人：江西理工大学，
类型：发明
国别省市：江西,36