权利要求
1.一种基于MAX相增强
铜基
复合材料的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)粉末预处理
分别称取高纯Cu粉、Ti4AlN3粉末并依次加入烧杯中，添加无水乙醇直至完全淹没粉末，再加入分散剂，将烧杯置于磁力搅拌器中加热搅拌，充分搅拌均匀后再次加入无水乙醇直至淹没粉末，将浆料装入球磨罐中，加入硬质合金小球，装配完成后，将球磨罐固定于行星式球磨机中进行球磨;
(2)高温还原
将步骤(1)中球磨后的浆料取出并置于烧杯中，烧杯放入干燥箱进行烘干，烘干的粉末研磨均匀平铺于陶瓷烧舟后放入管式炉，设定程序后在氢气气氛中进行还原处理，最终得到Cu-Ti4AlN3复合粉末;
(3)放电等离子烧结
将步骤(2)中经过还原的Cu-Ti4AlN3复合粉末研磨后加入石墨模具中，石墨模具置于放电等离子烧结炉的炉腔中预压实，设定程序后对炉腔进行真空处理，随后进行烧结，烧结完成后得到Cu-Ti4AlN3复合材料。
2.如权利要求1所述一种基于MAX相增强铜基复合材料的方法，其特征在于：所述步骤(1)中Ti4AlN3粉末质量分数为0.5-1.0%，其余为高纯Cu粉，Cu粉为高纯电解Cu粉，呈葡萄串状，纯度为99.999%，粒径为1-3μm，Ti4AlN3粉末纯度为98%，粒度为700-800目。
3.如权利要求1所述一种基于MAX相增强铜基复合材料的方法，其特征在于：所述步骤(1)中磁力搅拌器为DF-101S型集热式磁力搅拌器，搅拌温度为25-35 ℃，搅拌时间设置为6-8 h，烧杯中除了适量无水乙醇外，还添加了十二烷基苯甲酸钠作为分散剂，其添加量根据混合粉体的分散情况而定，促进粉体分散更均匀。
4.如权利要求1所述一种基于MAX相增强铜基复合材料的方法，其特征在于：所述步骤(1)中行星式球磨机为南大仪器QM-QX4全方位行星式球磨机，球磨转速为600rpm，球料比为5:1，球磨时间为4 h，球罐和球磨介质小球均由硬质合金制成。
5.如权利要求1所述一种基于MAX相增强铜基复合材料的方法，其特征在于：所述步骤(2)中球磨后的浆料取出置于烧杯中并使用无水乙醇反复冲洗球磨罐壁及合金小球表面残余的浆料于烧杯中，之后放入干燥箱中烘干，干燥箱的型号为DHG-9000-9005，烘干温度为50-60 ℃，烘干时间为12 h。
6.如权利要求1所述一种基于MAX相增强铜基复合材料的方法，其特征在于：所述步骤(2)中管式炉型号为GSL-1200X，设定程序如下：以10 ℃/min从室温升温至600 ℃，保温2 h后以10 ℃/min降至500 ℃，随后随炉冷却至室温。
7.如权利要求1所述一种基于MAX相增强铜基复合材料的方法，其特征在于：所述步骤(2)中通入的气体为10%H2-90%Ar，通入量为300-350 ml/min。
8.如权利要求1所述一种基于MAX相增强铜基复合材料的方法，其特征在于：所述步骤(3)中石墨磨具内径尺寸为20 mm，外径尺寸为60 mm，高70 mm，Cu-Ti4AlN3复合粉末与石墨模具之间使用碳纸隔离，方便烧结后取样和脱模。
9.如权利要求1所述一种基于MAX相增强铜基复合材料的方法，其特征在于：所述步骤(3)中放电等离子烧结炉型号为LaboxTM-300，采用热电偶测温，将热电偶前端插入石墨模具测温孔内。
10.如权利要求1所述一种基于MAX相增强铜基复合材料的方法，其特征在于：所述步骤(3)中放电等离子烧结设定程序如下：从室温升至550-600 ℃，并保温5 min，后继续升温至850-900 ℃，保温5 min，升温速率为80-100 ℃/min，预压压强为10 MPa，在第二段升温过程中压强升至50 MPa，保温5min后随炉冷却。
说明书
技术领域
[0001]本发明属于铜基抗拉材料技术领域，具体涉及一种基于MAX相增强铜基复合材料的方法。
背景技术
[0002]铜基合金凭借其优异的电学性能，被广泛运用在各类电子元器件领域，但其较差的力学性能限制了其在众多新兴领域的应用，为了满足时代进步所带来的高性能要求，需进一步提高
铜合金的综合力学性能。
[0003]MAX相是一类新型三元层状陶瓷材料，其化学式为 Mn + 1AXn ,n = 1、2、3，MAX相材料结合了金属和陶瓷的优点，具有良好的导热、导电和抗热震性能。它能在高温下保持塑性，可以像金属和石墨一样进行加工。此外，它还具有高屈服强度、高熔点、高热稳定性和出色的抗氧化、耐腐蚀能力。Ti4AlN3具备了 MAX 相一系列的优异性能，如高弹性模量、良好的高温塑性和抗热震性等，因此利用Ti4AlN3强化铜基体是一种不错的方法。
[0004]目前常用的MAX相强化铜基体的制备方法主要有
粉末冶金法、放电等离子烧结法、热压烧结法等，但是存在一些问题，例如：MAX相与铜基体之间湿润性较差，导致界面处结合强度不高，受力时易在界面处产生裂纹;以及材料的致密度不足、孔隙率增加，或者铜基体的晶粒长大等问题。
发明内容
[0005]本发明的目的在于提供一种基于MAX相增强铜基复合材料的方法，使得所制备的Cu-Ti4AlN3复合材料力学性能显著提升。
[0006]为实现上述目的，本发明使用了以下技术解决方案：
一种基于MAX相增强铜基复合材料的方法，具体包括以下步骤：
(1)粉末预处理
分别称取高纯Cu粉、Ti4AlN3粉末并依次加入烧杯中，添加无水乙醇直至完全淹没粉末，再加入分散剂，将烧杯置于磁力搅拌器中加热搅拌，充分搅拌均匀后再次加入无水乙醇直至淹没粉末，将浆料装入球磨罐中，加入硬质合金小球，装配完成后，将球磨罐固定于行星式球磨机中进行球磨;
(2)高温还原
将步骤(1)中球磨后的浆料取出并置于烧杯中，烧杯放入干燥箱进行烘干，烘干的粉末研磨均匀平铺于陶瓷烧舟后放入管式炉，设定程序后在氢气气氛中进行还原处理，最终得到Cu-Ti4AlN3复合粉末;
(3)放电等离子烧结
将步骤(2)中经过还原的Cu-Ti4AlN3复合粉末研磨后加入石墨模具中，石墨模具置于放电等离子烧结炉的炉腔中预压实，设定程序后对炉腔进行真空处理，随后进行烧结，烧结完成后得到Cu-Ti4AlN3复合材料。
[0007]所述步骤(1)中Ti4AlN3粉末质量分数为0.5-1.0%，其余为高纯Cu粉，Cu粉为高纯电解Cu粉，呈葡萄串状，纯度为99.999%，粒径为1-3μm，Ti4AlN3粉末纯度为98%，粒度为700-800目。
[0008]所述步骤(1)中磁力搅拌器为DF-101S型集热式磁力搅拌器，搅拌温度为25-35℃，搅拌时间设置为6-8 h，烧杯中除了适量无水乙醇外，还添加了十二烷基苯甲酸钠作为分散剂，其添加量根据混合粉体的分散情况而定，促进粉体分散更均匀。
[0009]所述步骤(1)中行星式球磨机为南大仪器QM-QX4全方位行星式球磨机，球磨转速(自转速度)为600rpm，球料比为5:1，球磨时间为4 h，球罐和球磨介质小球均由硬质合金制成。
[0010]所述步骤(2)中球磨后的浆料取出置于烧杯中并使用无水乙醇反复冲洗球磨罐壁及合金小球表面残余的浆料于烧杯中，之后放入干燥箱中烘干，干燥箱的型号为DHG-9000-9005，烘干温度为50-60 ℃，烘干时间为12 h。
[0011]所述步骤(2)中高温管式炉型号为GSL-1200X，设定程序如下：以10 ℃/min从室温升温至600 ℃，保温2 h后以10 ℃/min降至500 ℃，随后随炉冷却至室温。
[0012]所述步骤(2)中通入的气体为10%H2-90%Ar，通入量为300-350 ml/min。
[0013]所述步骤(3)中石墨磨具内径尺寸为20 mm，外径尺寸为60 mm，高70 mm，Cu-Ti4AlN3复合粉末与石墨模具之间使用碳纸隔离，方便烧结后取样和脱模。
[0014]所述步骤(3)中放电等离子烧结炉型号为LaboxTM-300，采用热电偶测温，将热电偶前端插入石墨模具测温孔内。
[0015]所述步骤(3)中放电等离子烧结设定程序如下：从室温升至550-600 ℃，并保温5min，后继续升温至850-900 ℃，保温5 min，升温速率为80-100 ℃/min，预压压强为10MPa，在第二段升温过程中压强升至50 MPa，保温5min后随炉冷却。
[0016]本发明的创新之处在于：
材料设计方面：通过Cu粉、Ti4AlN3粉末以一定比例混合，充分采用了Ti4AlN3的高弹性模量、良好的高温塑性和抗热震性等性质，实现对铜基体的增强作用。
[0017]制备方法方面：本发明的制备方法是由湿法分散、球磨、干燥、还原和放电等离子烧结工艺组成的，使得材料具有特定的晶体结构和相组成，从而提高了材料的性能，该制备方法为大规模生产这种高性能电接触材料提供了可能。
[0018]性能优化方面：通过Ti4AlN3增强铜基复合材料，进一步提高了铜基合金的力学性能，并保持了优异的导电性，表现出优良的整体性能。
[0019]与现有工艺技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明加入了MAX相Ti4AlN3，以其高弹性模量、良好的高温塑性和抗热震性等性质，增强了铜基合金的力学性能;传统球磨时，易在过程中产生大量热量，且因铜质地较软，导致铜粉产生团聚现象，使得到的粉末粒度较大，本发明以悬浮液的形式代替粉末，通过加入乙醇传递球磨产生的热量，并隔绝空气，并且使用十二烷基苯甲酸钠作为分散剂，降低了粉体聚集成团的能力，加快了球磨进程;放电等离子烧结技术通过等离子体活化和烧结致密化的联合作用细化了合金的晶粒尺寸，最终制备出致密的，力学性能优越，应用更加广泛的Cu-Ti4AlN3复合材料。
附图说明
图2为Cu-1.0%Ti4AlN3复合材料断口高倍形貌图;
图3为Cu-0.5%Ti4AlN3复合材料断口高倍形貌图;
图4为Cu-1.0%Ti4AlN3复合材料的EDS分析图;
图5为Cu-0.5%Ti4AlN3复合材料的EDS分析图。
具体实施方式
[0021]以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
[0022]实施例1
本实施例中的Cu-Ti4AlN3复合材料通过湿法分散、球磨、干燥、还原和放电等离子烧结工艺加工而成，其中Ti4AlN3的质量分数为1.0%，其余为高纯电解Cu粉，呈葡萄串状，纯度为99.999%，粒径为1-3μm，Ti4AlN3粉末纯度为98%，粒度为700-800目。
[0023]本实施例中Cu-Ti4AlN3复合材料制备方法如下：
(1)粉末预处理
分别称取49.5g高纯Cu粉，0.5gTi4AlN3粉末，加入烧杯中，添加无水乙醇直至完全淹没粉末，再加入0.06g十二烷基苯甲酸钠，将烧杯置于磁力搅拌器中，于25-35 ℃下搅拌6-8h，充分搅拌均匀后再次加入无水乙醇直至淹没粉末;将浆料装入球磨罐中，以球料比5:1加入硬质合金小球，装配完成后，将球磨罐固定于行星式球磨机中球磨4 h;
(2)高温还原
将球磨后的浆料取出并置于烧杯中并使用无水乙醇反复冲洗球磨罐壁及合金小球表面残余的浆料于烧杯中，之后将烧杯放入干燥箱进行烘干处理，烘干温度为50-60 ℃，烘干时间为12 h，烘干后将得到的粉末研磨后均匀平铺于陶瓷烧舟后放入管式炉，以300-350 ml/min的流量通入10%H2-90%Ar的气体制造还原气氛，设定程序以10 ℃/min从室温升温至600 ℃，保温2 h后以10 ℃/min降至500 ℃，随后随炉冷却至室温，最终得到Cu-Ti4AlN3复合粉末;
(3)放电等离子烧结
将上述经过还原的Cu-Ti4AlN3复合粉末研磨后加入用碳纸包覆的石墨模具(石墨磨具内径尺寸为20 mm，外径尺寸为60 mm，高70 mm，Cu-Ti4AlN3复合粉末与石墨模具之间使用碳纸隔离，方便烧结后取样和脱模)中，并将石墨模具置于放电等离子烧结炉的炉腔中以10 MPa的压强预压实，将热电偶前端插入石墨模具的测温孔中;关闭炉腔门进行真空处理，在炉腔达到真空程度后按设定程序后进行烧结，程序如下：从室温升至550-600 ℃，并保温5 min，后继续升温至850-900 ℃，保温5 min，升温速率为80-100 ℃/min，在此过程中将压强升至50 MPa，保温5min后随炉冷却烧结完成后得到Cu-Ti4AlN3复合材料。
[0024]实施例2
本实施例中的Cu-Ti4AlN3复合材料通过湿法分散，球磨，干燥，还原和放电等离子烧结工艺加工而成，其中Ti4AlN3的质量分数为1.0%，其余为高纯电解Cu粉，呈葡萄串状，纯度为99.999%，粒径为1-3μm，Ti4AlN3粉末纯度为98%，粒度为700-800目。
[0025]本实施例中Cu-Ti4AlN3复合材料制备方法如下：
(1)粉末预处理
分别称取49.75g高纯Cu粉，0.25gTi4AlN3粉末，加入烧杯中，添加无水乙醇直至完全淹没粉末，再加入0.06g十二烷基苯甲酸钠，将烧杯置于磁力搅拌器中，于25-35 ℃下搅拌6-8h，充分搅拌均匀后再次加入无水乙醇直至淹没粉末;将浆料装入球磨罐中，以球料比5:1加入硬质合金小球，装配完成后，将球磨罐固定于行星式球磨机中球磨4 h;
(2)高温还原
将球磨后的浆料取出并置于烧杯中并使用无水乙醇反复冲洗球磨罐壁及合金小球表面残余的浆料于烧杯中，之后将烧杯放入干燥箱进行烘干处理，烘干温度为50-60 ℃，烘干时间为12 h，烘干后将得到的粉末研磨后均匀平铺于陶瓷烧舟后放入管式炉，以为300-350 ml/min的流量通入10%H2-90%Ar的气体制造还原气氛，设定程序以10 ℃/min从室温升温至600 ℃，保温2 h后以10 ℃/min降至500 ℃，随后随炉冷却至室温，最终得到Cu-Ti4AlN3复合粉末;
(3)放电等离子烧结
将上述经过还原的Cu-Ti4AlN3复合粉末研磨后加入用碳纸包覆的石墨模具(石墨磨具内径尺寸为20 mm，外径尺寸为60 mm，高70 mm，Cu-Ti4AlN3复合粉末与石墨模具之间使用碳纸隔离，方便烧结后取样和脱模)中，并将石墨模具置于放电等离子烧结炉的炉腔中以10 MPa的压强预压实，将热电偶前端插入石墨模具的测温孔中;关闭炉腔门进行真空处理，在炉腔达到真空程度后按设定程序后进行烧结，程序如下：从室温升至550-600 ℃，并保温5 min，后继续升温至850-900 ℃，保温5 min，升温速率为80-100 ℃/min，在此过程中将压强升至50 MPa，保温5min后随炉冷却烧结完成后得到Cu-Ti4AlN3复合材料。
[0026]下表1是Cu，Cu-1.0%Ti4AlN3，Cu-0.5%Ti4AlN3的块体力学性能表。由放电等离子烧结而成，与纯铜相比，抗拉强度与硬度均得到了显著提升。
[0027] 表1 试样块体性能表
从图1可以看出，铜粉呈现出球状，粒径在1-3μm，粉末团聚成葡萄串状，铜粉表面光滑。
[0028]从图2、图3可以看出，Cu-1.0%Ti4AlN3和Cu-0.5%Ti4AlN3端口处整体呈现等轴韧窝聚集的形貌且韧窝分布比较均匀;同时发现了断裂呈现的撕裂棱及部分台阶，考虑是以韧性断裂为主的混合断裂。
[0029]从图4、图5可以看出，从能谱分析中可以找到各类元素添加项。
[0030]本发明加入MAX相Ti4AlN3，引入了其高弹性模量、良好的高温塑性等性质，增强了铜基复合材料，提升了铜合金的力学性能;传统球磨时，易在过程中产生大量热量，且因铜质地较软，导致铜粉产生团聚现象，使得到的粉末粒度较大;本发明以悬浮液的形式代替粉末，通过加入乙醇传递球磨产生的热量，并隔绝空气，使用十二烷基苯甲酸钠作为分散剂，降低了粉体聚集成团的能力，加快了球磨进程;放电等离子烧结技术通过等离子体活化和烧结致密化的联合作用细化了合金的晶粒尺寸，最终制备出致密的，力学性能优越，应用更加广泛的Cu-Ti4AlN3复合材料。
[0031]上述实施例仅例示出本公开的具体实施方案，但是本公开的实施方案并不受上述内容的限制。在未实质性背离本公开的发明构思的主旨和原理的情况下所做出的任何改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，并包含在由权利要求所确定的保护范围之内。
说明书附图(5)
声明：
“基于MAX相增强铜基复合材料的方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：合肥工业大学
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