[发明专利]长尺寸弥散强化铜基复合材料的制备方法及其熔铸装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料制备工艺和设备，特别是涉及一种铜基复合材料制备工艺和专用设备，应用于复合材料凝固技术领域。

背景技术

铜基复合材料作为一种有良好导电性和导热性的材料，在社会生活中备受人们关注，但是由于纯铜是一种很软的材料，在一些应用中受到限制，所以提高铜基材料的强度成为学者研究的重点。一般情况下提高铜基材料强度的方法有：应变强化、固溶强化和时效强化，但是由于以上三种强化方式都会引起晶体缺陷，比如：位错、空位以及晶格的畸变，这样虽然铜基材料的强度提高了，但是会不同程度地降低它的导电性和导热性，并且以上几种强化方式在高温时都会失效，所以必须通过另一种方式来强化以铜为基体的材料。

当材料在受力作用下变形时，一些具有适当晶体取向关系的晶粒中的位错首先增殖、滑移，并在晶界附近堆积产生应力场。在应力场作用下，相邻晶粒扭转并产生变形。在Cu??-Al₂O₃、SiC、TiB₂、ZrO₂、石墨、SiO₂粉末以及Al₂O₃晶须、SiC晶须等复合材料中，以细小的陶瓷颗粒Al₂O₃弥散颗粒为强化相，在铜基体中产生钉扎效应，由于Al₂O₃的颗粒细小、稳定、坚硬的弥散分布于铜基体中阻碍了位错的滑移，从而达到了强化铜基体的目的，而且还能提高合金的再结晶温度。运用超细陶瓷Al₂O₃、SiC、TiB₂、ZrO₂、石墨、SiO₂颗粒以及Al₂O₃晶须、SiC晶须等弥散在铜基体中形成铜基复合材料，这种复合材料不仅可以保持纯铜优良的导电导热性能，而且它的力学性能将会大幅度提高，并且在高温下不会失效，所以这是一种在高温下可以保持较高强度铜基复合材料的强化方法。

目前制备弥散强化铜基复合材料有外加颗粒法和内生颗粒法两种。

外加颗粒法有：

1.粉末冶金法：这是一种利用复合粉末成型、烧结的方法，此种方法虽然可以制备小尺寸样品，但它生产工艺复杂，成本高，生产效率低，同时复合材料界面易受污染，界面反应严重。

2.中间合金法：这是把颗粒等增强物和基体金属粉末压制成中间合金块，加入基体合金溶液，但是在实际生产中，中间合金块压入金属溶液后长时间不溃散的问题，不可靠。

3.机械合金化法：通过高能球磨机长时间研磨使硬质粒子均匀的嵌入金属颗粒中，得到复合粉末，然后压紧、成型、烧结，用此法制成的复合粉末在烧结过程中会出现增强相的偏聚，从而影响复合材料的性能。

4.热压法：这是制备弥散强化复合材料的传统方法，增强颗粒经过预处理后制成预成型复合体，在真空或保护气氛下加热、加压而形成复合材料。这种方法相对粉末冶金法对增强颗粒损伤小，材料性能也较好，但生产设备昂贵，成本高，效率低。

5.复合电沉积法：通过将镀液中的陶瓷、矿物或树脂等颗粒与基体金属或合金共沉积到阴极表面形成复合镀层，从而大大改善材料的性能。这种方法不需高温、制备工艺简单、成本低廉、成分可控性好，但此法仅适表面强化复合材料。

6.搅拌铸造法：这是一种简单常用的方法。它是将固态Al₂O₃增强颗粒逐步加入到机械搅拌下的Cu液中，直接浇铸成型。高速搅拌有气体和夹杂物混入，偏析和“结团”现象也难以消除，颗粒的加入量也有限，最主要的是不能进行连续生产。

内生颗粒法有：

1. 溶胶一凝胶法：这个方法是利用化学反应得到乳白色Al(OH)₃溶胶，再将铜粉缓慢地加入溶胶，搅拌、静置、过滤，得到铜与氢氧化铝湿凝胶的混合物，而后通过各种方法制得复合材料。此法工艺过程容易控制、成本低，有很好的工业应用前景。此法的缺点是:生成的增强颗粒比较大，只能存在于铜的边界，复合材料的孔隙较多。