一种Y2O3和CNT共强化铜基的复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种Y2O3和CNT共强化铜基的复合材料制备方法，具体步骤如下：(1)粉末预处理；(2)高温分解还原；(3)场辅助烧结。本发明专利技术通过在Y2O3弥散强化铜合金的基础上引入CNT，以此降低Y2O3的团聚影响，并通过CNT本身优异的性能以及其短纤维与颗粒共强化的方式来进一步改善合金的力学与电学性能。由场辅助烧结而成合金块体其致密度均达到了98

【技术实现步骤摘要】
一种Y2O3和CNT共强化铜基的复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于弥散铜合金强化
，具体涉及一种Y2O3和CNT共强化铜基的复合材料及其制备方法，采用两相共沉积法和场辅助烧结法制备。

技术介绍

[0002]铜凭借其优异的电学性能，被广泛运用于电器、机械制造、交通运输等领域。然而随着时代的发展，其较差的机械性能以及高温稳定性的缺点被逐渐放大。因此，为满足各类结构材料日益增长的性能要求，需要建立有效的强化方式，提高铜的强度及耐高温性能。
[0003]弥散强化铜合金是一种兼具高强高导性能以及良好高温稳定性的新型铜基复合材料。通过加入熔点高、热稳定性好、硬度高的第二相颗粒，有效地阻碍了位错的运动，在确保导电性能的前提下提高了铜合金的力学性能。目前，研究较多的第二相颗粒包括Al2O3、Y2O3、ZrO2等。其中，Y2O3凭借其比Al2O3更低的形成焓及更高的熔点成为了各国学者的研究热点。但由于Y元素在铜中的溶解度低、易析出团聚的特点，使其制备难度升级。近些年，碳纳米管凭借其优异的力学、电学和热学性能引起了人们的广泛关注，为强化合金的制备创造了新的契机。

技术实现思路

[0004]本专利技术通过两相共沉积法获得Y2O3和CNT均匀混合的铜基复合粉末，后加以场辅助烧结技术得到致密化的块体，目的是通过在Y2O3弥散强化铜合金的基础上引入CNT，以此降低Y2O3的团聚影响，并通过CNT本身优异的性能以及其短纤维与颗粒共强化的方式来进一步改善合金的力学与电学性能。此外，通过多组份的实验对比，探究出Y2O3/CNT的最佳配比，为未来多组元强化合金的发展提供材料设计及制备工艺上的支撑。
[0005]本专利技术的技术解决方案：
[0006]一种Y2O3和CNT共强化铜基的复合材料制备方法，具体步骤如下：
[0007](1)粉末预处理
[0008]分别称取高纯Cu粉、硝酸钇六水合物(YN3O9·
6H2O)及超纯多壁碳纳米管(CNT)后，将其加入150ml去离子水烧杯中，充分搅拌均匀后加入磁力转子并放入磁力搅拌器中进行加热搅拌，加热温度140℃，待溶液完全蒸发后取出置于烘箱中在120～140℃下进行12h烘干处理，得到预处理粉末，将预处理粉末取出进行充分研磨，得到Cu
‑
YN3O9‑
CNT预处理复合粉末。
[0009](2)高温分解还原
[0010]将步骤(1)中的Cu
‑
YN3O9‑
CNT预处理复合粉末均匀平铺于陶瓷烧舟后放入高温管式炉，设定程序后通入高纯度氢气进行分解还原处理，得到Cu
‑
Y2O3‑
CNT终处理复合粉末。
[0011](3)场辅助烧结
[0012]将步骤(2)中经过还原的Cu
‑
Y2O3‑
CNT终处理复合粉末研磨后加入石墨模具中，并将石墨模具置于场辅助烧结炉的炉腔内预压实，设定程序预压后对炉腔进行真空处理，随
后进行烧结，烧结结束后获得Cu
‑
Y2O3‑
CNT复合材料。
[0013]优选地，所述步骤(1)中硝酸钇六水合物(YN3O9·
6H2O)的加入量保证体系中预设氧化钇(Y2O3)的质量分数为0％～1％，超纯多壁碳纳米管(CNT)的质量分数为0％～0.4％，其余为高纯Cu粉。
[0014]优选地，所述步骤(1)中硝酸钇六水合物(YN3O9·
6H2O)的加入量保证体系中预设氧化钇(Y2O3)的质量分数为0.5％，超纯多壁碳纳米管(CNT)的质量分数为0.2％，其余为高纯Cu粉。
[0015]优选地，所述步骤(1)中Cu粉为盈泰金属材料有限公司产品，粒径为1～3μm，硝酸钇六水合物纯度为99.5％，超纯多壁碳纳米管为羟基化多壁碳纳米管，分子量为12.01。
[0016]优选地，所述步骤(1)中所用磁力搅拌器为DF
‑
101S型集热式磁力搅拌器，步骤(2)中高温管式炉型号为GSL
‑
1200X，步骤(3)中场辅助烧结炉型号为LaboxTM
‑
300。
[0017]优选地，所述步骤(2)中设定程序如下：以10℃/min从室温升至600℃，保温2h后以10℃/min降至500℃，随后随炉冷却至室温。
[0018]优选地，所述步骤(2)中通入氢气流量为300～500ml/min。
[0019]优选地，所述步骤(3)中所用石墨模具直径为20mm，Cu
‑
Y2O3‑
CNT终处理复合粉末与石墨模具之间使用碳纸隔离，方便烧结后的取样及脱模。
[0020]优选地，所述步骤(3)中预压实压强为10MPa，烧结采用热电偶测温，将热电偶前端插入石墨模具测温孔中。
[0021]优选地，所述步骤(3)中设定程序如下：以100℃/min的速率升到600℃，保温5min；接着以5℃/min的速率升到900℃，在此过程中将压力从10MPa升到50～70MPa，保温5min后快速冷却。
[0022]本专利技术的有益效果：本专利技术通过在Y2O3弥散强化铜合金的基础上引入CNT，以此降低Y2O3的团聚影响，并通过CNT本身优异的性能以及其短纤维与颗粒共强化的方式来进一步改善合金的力学与电学性能。由场辅助烧结而成合金块体其致密度均达到了98
±
0.5％，由Y2O3及CNT强化及共强化的铜合金其硬度达到了97.00～120.04HV，电导率也维持在87.09～93.43％IACS的较高水平。
附图说明
[0023]图1是原材料铜粉的表面形貌图。
[0024]图2是Cu
‑
1.0wt.％Y2O3的复合材料金相图。
[0025]图3是Cu
‑
0.5wt.％Y2O3‑
0.2wt.％CNT的复合材料金相图。
[0026]图4是Cu
‑
0.5wt.％Y2O3‑
0.2wt.％CNT的断口形貌图。
具体实施方式
[0027]以下结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步说明。
[0028]实施例1
[0029]本实施例中的Cu
‑
Y2O3材料通过两相共沉积法、高温还原分解、场辅助烧结工艺制备而成，其中Y2O3的质量分数预设为1％，其余为高纯Cu粉。
[0030]本实施例中Cu
‑
Y2O3材料制备方法如下：
[0031](1)粉末预处理
[0032]称取20g高纯Cu粉、0.6948g的硝酸钇六水合物(YN3O9·
6H2O)将其分别加入150ml去离子水烧杯中，充分搅拌均匀后加入磁力转子并放入磁力搅拌器中进行加热搅拌，加热温度140℃。待溶液完全蒸发后取出置于烘箱中在120～140℃下进行12h烘干处理得到预处理粉末，将预处理粉末取出进行充分研磨，得到Cu
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Y2O3和CNT共强化铜基的复合材料制备方法，其特征在于：具体步骤如下：(1)粉末预处理分别称取高纯Cu粉、硝酸钇六水合物及超纯多壁碳纳米管后，将其加入150ml去离子水烧杯中，充分搅拌均匀后加入磁力转子并放入磁力搅拌器中进行加热搅拌，加热温度140℃，待溶液完全蒸发后取出置于烘箱中在120～140℃下进行12h烘干处理，得到预处理粉末，将预处理粉末取出进行充分研磨，得到Cu
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YN3O9‑
CNT预处理复合粉末。(2)高温分解还原将步骤(1)中的Cu
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YN3O9‑
CNT预处理复合粉末均匀平铺于陶瓷烧舟后放入高温管式炉，设定程序后通入高纯度氢气进行分解还原处理，得到Cu
‑
Y2O3‑
CNT终处理复合粉末；(3)场辅助烧结将步骤(2)中经过还原的Cu
‑
Y2O3‑
CNT终处理复合粉末研磨后加入石墨模具中，并将石墨模具置于场辅助烧结炉的炉腔内预压实，设定程序预压后对炉腔进行真空处理，随后进行烧结，烧结结束后获得Cu
‑
Y2O3‑
CNT复合材料。2.如权利要求1所述一种Y2O3和CNT共强化铜基的复合材料制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中硝酸钇六水合物的加入量保证体系中预设氧化钇的质量分数为0％～1％，超纯多壁碳纳米管的质量分数为0％～0.4％，其余为高纯Cu粉。3.如权利要求1所述一种Y2O3和CNT共强化铜基的复合材料制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中硝酸钇六水合物的加入量保证体系中预设氧化钇的质量分数为0.5％，超纯多壁碳纳米管的质量分数为0.2％，其余为高纯Cu粉。4.如权利要求1所述一种Y2O3和CNT共强化铜基的复合材料制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦永强，司永健，吴玉程，罗来马，马冰，张一帆，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：