[发明专利]一种非连续层状双金属复合材料及其制备方法

说明书

一种非连续层状双金属复合材料及其制备方法，属于金属材料领域。以金属粉A为原料，通过液相球磨的方法制备出具有较大长径比的片状A粉；之后，采用化学镀的方法在片状A粉表面镀覆B金属，制备得到B包覆A的复合粉末；最后，将得到的片状复合粉末置于模具中震荡、随后进行真空压力烧结即可。在复合材料中A相以纳米/微米级厚度的层片结构有取向地、均匀地分布于B相中，二者呈现叠层分布特征，且B相呈三维连通分布。该结构的双金属复合材料呈现显著的各向异性，既具有层状结构强韧性好的优点，又在各个方向上均具有较高的导电导热性，其在沿A片层方向上的传导性能远超的同成分的其他双金属复合材料。

技术领域

本发明属于粉末冶金技术和难熔金属材料领域，具体涉及一种非连续层状双金属复合材料及其制备方法。

背景技术

由AB两种金属或其合金组成的双金属复合材料(A一般为铌、钼、钽、钨、钛、锆等难熔金属，B一般为铜、银、铁、镍等传导性较好的金属，如钨铜、钼银、锆铜、铁钛等)兼具B的高导电、高导热以及A的高硬度、耐电弧侵蚀、低热膨胀等优点，被广泛用于各种电接触材料、电极材料、热沉材料、封装材料及军事装备等领域。这些领域一般要求复合材料兼具较高的力学性能和传导性能。然而目前商用粗晶复合材料的力学性能较低；超细晶或者纳米晶复合材料的力学性能虽然有所提高，但其传导性能均发生了不同程度的下降。因此，亟需新的设计思路和制备方法来提高双金属复合材料的综合性能，从而满足不断发展的高新技术领域的要求。

目前，双金属复合材料的主要制备方法及其结构性能如下。采用预烧结制备A骨架，随后熔渗B金属制备的双金属复合材料，其传导性能较高，但是力学性能较低，其中的A相和B相晶粒尺寸较为粗大、两相相互穿插、均匀分布。采用化学法或机械合金化(机械球磨)法获得双金属复合粉末，随后烧结制备的双金属复合材料，其力学性能较粗晶钨铜复合材料提高，但是传导性能有所下降，其中的AB两相晶粒尺寸从纳米到微米不等、也呈均匀分布状态。采用化学镀或者电镀工艺制备B包覆A的双金属复合粉，随后烧结制备的双金属复合材料，具有较高的传导性能，力学性能受到A相的颗粒尺寸影响，其中的B相呈三维网络状分布，A相呈颗粒状均匀分布，且一般较为粗大。瑞士纳米冶金实验室的André利用一种基于冰模板的方法制备了钨(A相)骨架，随后渗铜(B相)制备的钨铜复合材料表现出各向异性，其中铜相在某一方向上存在连续通道，但是钨相的尺寸较粗大，导致其虽然在特定方向上电导率有所提高，但是力学性能仍然不高。上海工程技术大学的Duan等人利用钨(A相)纤维压坯烧结制备了钨骨架，随后通过渗铜(B相)制备的钨铜复合材料，其中钨相为连续纤维状分布，钨纤维尺寸一般在几十到几百微米范围，由于钨纤维的尺寸难以细化，因此该种复合材料力学性能不高。中国中科院的Zhang等人以通过对钨网(A相)进行叠层排布并冷压预制胚体，随后渗铜(B相)制备的钨铜复合材料也表现出一定的各向异性，但是含铜量较高，导致其力学性能一般，其中钨相为网络状层状分布。国内外也有采用A箔和B箔叠层热压的方法制备连续层状复合材料，也可通过累积叠轧的方法制备AB的连续层状复合材料，该材料也表现出明显的各向异性，但是其中的A相层厚度一般在几百微米级别，受制备工艺限制难以进一步薄化。此外，采用磁控溅射的方法可以制备出纳米级别的AB层状复合材料，其表现出出色的力学性能，但是该方法难以实现产业化制备。

针对上述存在问题和结构特点，我们在综合考虑双金属复合材料性能以及规模化制备的基础上提出了一种显著区别于现有均匀结构、A纤维增强结构和连续层状结构等的新型结构——非连续层状异质结构。在具有该结构的AB复合材料中，A相以纳米/微米级厚度的层片结构有取向地、均匀地分布于B相中，二者呈现叠层分布特征，且B相呈三维连通分布。该结构的AB复合材料呈现显著的各向异性，既具有层状结构强韧性好的优点，又在各个方向上均具有较高的导电导热性，其在沿A片层方向上的传导性能远超目前报道的同成分的其他构型复合材料。目前，国内外均未有关于非连续层状异质结构双金属复合材料及其制备方法的研究报道。基于以上背景，本发明提出了一种具有非连续层状异质结构的双金属复合材料，并提出了一种利用粉末冶金工艺制备非连续层状异质结构双金属复合材料的新方法，实现了结构成分可调可控、组织宏观均匀、具有优异的强韧匹配性以及导电导热性的各向异性双金属复合材料的宏量制备。

发明内容