一种稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料及其制备方法。该复合材料由以下质量百分含量的组分组成：铜10％～39.9％，稀土氧化物0.1％～3.0％，余量为钼和不可避免的杂质。本发明的稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料，由钼、铜和稀土氧化物组成，稀土氧化物作为第二相掺杂加入钼铜合金中，显著提高了钼铜合金的烧结性能，钼和铜包覆在稀土氧化物周围形成发育完整的晶体，钼元素和铜元素之间在稀土氧化物的作用下具有较好的润湿性，实现了钼与铜的分子级混合，大大提高了钼铜合金的致密性，最终钼铜合金的强度、韧性和导热导电性能得到显著提高。

权利要求

1.一种稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料，其特征在于：由以下质量百分含量的组分组成：铜10％～39.9％，稀土氧化物0.1％～3.0％，余量为钼和不可避免的杂质；所述稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将硝酸铜溶于水中，并加入氨水制成硝酸铜溶液；将稀土硝酸盐溶于水中，并加入有机弱酸制成稀土硝酸盐溶液；

2)按合金组分配比，将钼酸或钼酸盐溶液与步骤1)所得硝酸铜溶液、稀土硝酸盐溶液混合，调节pH值为4.5～6.0，搅拌得含溶胶的混合物；

3)将步骤2)所得含溶胶的混合物进行水热合成反应，冷却、过滤、干燥，得水热合成产物；

4)将步骤3)所得水热合成产物焙烧，得复合氧化物粉体；

5)将步骤4)所得复合氧化物粉体进行氢气还原，即得所述复合材料。

2.根据权利要求1所述的稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料，其特征在于：所述的稀土氧化物是氧化镧、氧化铈或氧化钇。

3.一种如权利要求1所述的稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)将硝酸铜溶于水中，并加入氨水制成硝酸铜溶液；将稀土硝酸盐溶于水中，并加入有机弱酸制成稀土硝酸盐溶液；

2)按合金组分配比，将钼酸或钼酸盐溶液与步骤1)所得硝酸铜溶液、稀土硝酸盐溶液混合，调节pH值为4.5～6.0，搅拌得含溶胶的混合物；

3)将步骤2)所得含溶胶的混合物进行水热合成反应，冷却、过滤、干燥，得水热合成产物；

4)将步骤3)所得水热合成产物焙烧，得复合氧化物粉体；

5)将步骤4)所得复合氧化物粉体进行氢气还原，即得所述复合材料。

4.根据权利要求3所述的稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述的稀土硝酸盐为硝酸镧、硝酸铈、硝酸铈铵或硝酸钇。

5.根据权利要求3所述的稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述氨水的加入量为：NH3与硝酸铜的摩尔比为2～3:1；所述有机弱酸的加入量为：有机弱酸与稀土硝酸盐的摩尔比为2～3:1。

6.根据权利要求5所述的稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述有机弱酸为草酸、醋酸或蚁酸。

7.根据权利要求3所述的稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述的钼酸盐为二钼酸铵、β-四钼酸铵、七钼酸铵、钼酸钾中的任意一种或几种。

8.根据权利要求3所述的稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料的制备方法，其特征在于：步骤3)所述水热合成反应是在6～20MPa压力、160℃～180℃温度条件下反应20～25h。

9.根据权利要求3所述的稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料的制备方法，其特征在于：步骤4)所述焙烧是450℃～500℃温度下焙烧2～4h。

10.根据权利要求3所述的稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料的制备方法，其特征在于：步骤5)所述氢气还原是700℃～800℃温度下用氢气或氢氮混合气还原2～4h。

说明书

一种稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及钼铜合金复合材料技术领域，具体是一种稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 钼铜合金由于其具有高电导、高热导、高强度、可调的低膨胀系数、无磁性以及优良的耐高温性能，应用前景广阔。可主要应用范围有：①真空触头，目前国内正在大面积推广应用；②导电散热元件，可满足大功率的集成电路和微波器件的高电导、热导性能、耐热性能、真空性能及定热膨胀系数等要求；③作为一些特殊要求的仪器仪表元件，满足其无磁性、定热膨胀系数、高弹性模量、高电导热导性等；④用于使用温度稍低的火箭、导弹的高温部件，也可代替钼作为其它武器中的零部件，如增程炮等；⑤用作固体动密封、滑动摩擦的加强肋，高温炉的水冷电极头，以及电加工电极等。

[0003] 目前，钼铜合金通常采用烧结法和熔渗法制备。采用烧结法制备时，由于Mo和Cu液相润湿角不为零且Mo和Cu又互不溶解，因此无论是液相烧结还是固相烧结均难以使烧结产品的相对密度大于98％。通过加入强化掺杂元素以提高钼铜合金粉体的致密度，主要方法包括固-固掺杂、固-液掺杂和液-液掺杂三种，其中以液-液掺杂最为均匀。通过添加少量镍的活化烧结法会使材料的导电导热性能显著降低；采用超细粉烧结可以细化钼铜合金粉末粒度，提高钼铜合金致密度，超细粉体烧结时，钼铜合金致密化的主导机制是颗粒重排，由于细小颗粒的毛细管力比较大，因而有利于重排过程的进行，但成分的均匀性和粉末粒度均会对颗粒重排产生巨大的影响；采用熔渗法制备钼铜合金时，因钼铜的润湿性比钨铜差，尤其在制备低铜含量的钼铜合金时，熔渗后材料的致密度偏低，导致气密性、导电性、导热性达不到要求，应用受到限制，而且此类方法工艺繁琐，不易操作。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种致密度高，导热导电性能优异的稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料；本发明的另一目的是提供一种工艺简单、易操作、适用性广的稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料的制备方法。

[0005] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

[0006] 一种稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料，由以下质量百分含量的组分组成：铜10％～39.9％，稀土氧化物0.1％～3.0％，余量为钼和不可避免的杂质。

[0007] 其中，杂质的质量百分含量不超过0.02％。

[0008] 所述的稀土氧化物是氧化镧、氧化铈或氧化钇。

[0009] 本发明的稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料，由钼、铜和稀土氧化物组成，稀土氧化物作为第二相掺杂加入钼铜合金中，显著提高了钼铜合金的烧结性能，钼和铜包覆在稀土氧化物周围形成发育完整的晶体，钼元素和铜元素之间在稀土氧化物的作用下具有较好的润湿性，实现了钼与铜的分子级混合，大大提高了钼铜合金的致密性，最终钼铜合金的强度、韧性和导热导电性能得到显著提高。

[0010] 本发明稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料中，稀土元素除了具有作为氧化物提高钼铜合金强度、韧性和导热导电性能以外，还能够在稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料制备过程中，特别是复合氧化物烧结过程中起到细化晶粒、避免晶粒进一步长大的作用。本发明中稀土元素可以优化选择为镧、铈、钇等通常起到细化晶粒作用的稀土元素。

[0011] 一种稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料的制备方法，包括如下步骤：

[0012] 1)将硝酸铜溶于水中，并加入氨水制成硝酸铜溶液；将稀土硝酸盐溶于水中，并加入有机弱酸制成稀土硝酸盐溶液；

[0013] 2)按合金组分配比，将钼酸或钼酸盐溶液与步骤1)所得硝酸铜溶液、稀土硝酸盐溶液混合，调节pH值为4.5～6.0，搅拌得含溶胶的混合物；

[0014] 3)将步骤2)所得含溶胶的混合物进行水热合成反应，冷却、过滤、干燥，得水热合成产物；

[0015] 4)将步骤3)所得水热合成产物焙烧，得复合氧化物粉体；

[0016] 5)将步骤4)所得复合氧化物粉体进行氢气还原，即得所述复合材料。

[0017] 步骤1)中，所述的稀土硝酸盐为硝酸镧、硝酸铈、硝酸铈铵或硝酸钇。

[0018] 步骤1)中，所述氨水的加入量为：NH3与硝酸铜的摩尔比为2～3:1；所述有机弱酸的加入量为：有机弱酸与稀土硝酸盐的摩尔比为2～3:1。

[0019] 优选的，所用氨水的浓度为15mol·L-1。有机弱酸以酸液的形式加入；优选的，所述酸液中有机弱酸的浓度为0.2mol·L-1。

[0020] 所述有机弱酸为草酸、醋酸或蚁酸。有机弱酸的酸性相对较弱，调节pH值时容易控制，不会瞬间破坏体系；同时，有机弱酸易于稀土离子络合。

[0021] 步骤2)中，所述的钼酸盐为二钼酸铵、β-四钼酸铵、七钼酸铵、钼酸钾中的任意一种或几种。

[0022] 步骤3)所述水热合成反应是在6～20MPa压力、160℃～180℃温度条件下反应20～25h。水热合成反应之后，步骤3)中，所述过滤后还对过滤所得滤饼进行洗涤，所述洗涤是用无水乙醇和去离子水分别洗涤。所述干燥是在75℃～85℃温度下干燥8～10h。

[0023] 步骤4)所述焙烧是450℃～500℃温度下焙烧2～4h。由于稀土氧化物的加入，降低了水热产物分解能，因此可以采用低温缓慢焙烧，能够使稀土元素抑制晶粒长大的作用效果更优，水热合成产物分解成颗粒超细、组织均匀的复合氧化物粉体。

[0024] 步骤5)所述氢气还原是700℃～800℃温度下用氢气或氢氮混合气还原2～4h。在氢气还原过程中，由于稀土氧化物的存在，起到了催化剂的作用，使得氧化钼铜或钼酸铜还原温度大幅下降，因此，氢气或氢氮混合气均可在此条件下使钼铜全部被还原。同时，以氢气为还原剂，该热力学和动力学条件不足以使稀土氧化物被还原为纯稀土；因此上述制备方法的还原条件下，稀土元素只能是以氧化物的形式存在于合金中。

[0025] 本发明稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料的制备方法，是采用水热合成-共还原法，通过将钼酸或钼酸盐溶液、硝酸铜溶液与稀土硝酸盐溶液混合并调节溶液pH值，使铜离子、钼酸根离子、稀土离子相互络合，形成分子级混合的水溶胶，采用水热合成法制备分散均匀、烧结性能良好的含钼、铜、稀土元素的前驱体即水热合成产物，前驱体焙烧过程中，通过稀土元素作用细化颗粒，避免晶粒进一步长大，在氢气还原过程中先被还原的钼和铜包覆在稀土氧化物周围形成发育完整的晶体，保持了溶胶中分子级的混合状态，从而制得本发明的稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料。该制备方法所得稀土氧化物掺杂钼铜合金复合粉末颗粒超细，组织均匀，工艺简单、易操作、适用性广，可用于制备致密度高、导热导电性能优异的钼铜合金。

[0026] 本发明稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料的制备方法中，硝酸铜溶液中加入的氨水中的氨分子能够与铜离子形成络合物，稀土硝酸盐溶液中的有机弱酸的弱酸根可与稀土离子络合；当硝酸铜溶液、稀土硝酸盐溶液与钼酸或钼酸盐溶液混合后，通过调节pH值在4.5～6.0之间，使铜离子与稀土硝酸根离子、钼酸根离子形成非常均匀的分子级混合溶胶，相对于一般的溶胶法在混合均匀程度上具有更优的效果。

[0027] 本发明稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料的制备方法，通过调节原料组成、反应温度、时间、溶液成分和pH值等因素来达到有效地控制水热合成反应和晶体生长；同时调节还原温度和还原时间有效控制稀土氧化物掺杂钼铜合金粉末颗粒大小和形态；所得复合粉体中的各种元素分布保留了溶液中分子级的混合状态，制得颗粒超细、组织均匀的稀土氧化物掺杂钼铜复合粉体，具有颗粒细小，高纯、粒径分布窄、流动性好、颗粒团聚程度低、晶体发育完整等特点，从而可使后续钼铜合金的烧结性能得到改善，制备出致密度较高、导热导电性能优异的钼铜合金。

附图说明

[0028] 图1为实施例1所得氧化镧掺杂钼铜合金复合材料粉末的显微组织图；

[0029] 图2为对比例1所得氧化镧掺杂钼铜合金复合材料粉末的EDS能谱图。

具体实施方式

[0030] 以下结合实施例对本发明的技术方案进行具体的说明，但不限定本发明的技术方案。

[0031] 本发明一种稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料，由以下质量百分含量的组分组成：铜10％～39.9％，0.1％～3.0％稀土氧化物，余量为钼和不可避免的杂质。其中，杂质的质量百分含量不超过0.02％。所述的稀土氧化物为氧化镧(La2O3)、氧化铈(Ce2O3)或氧化钇(Y2O3)。

[0032] 实施例1～6的稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料的物相组成如表1所示：

[0033] 表1 实施例1～6的稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料的物相组成[0034]  实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6
Mo含量(％) 79.2 61.1 88.5 61.2 75.6 82.4
Cu含量(％) 19.3 38.3 10.3 35.8 24.3 15.6
稀土元素含量(％) 1.28(La) 0.51(Ce) 0.94(Y) 2.55(La) 0.09(Ce) 1.57(Y)稀土氧化物类型 La2O3 Ce2O3 Y2O3 La2O3 Ce2O3 Y2O3
稀土氧化物含量(％) 1.50 0.60 1.19 2.99 0.10 1.99

[0035] 本发明一种稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

[0036] 1)以钼酸或可溶性钼酸盐、硝酸铜和稀土硝酸盐为原料，分别配制成水溶液，然后在硝酸铜溶液中加入适量氨水，在稀土硝酸盐溶液加入适量弱酸；

[0037] 所述氨水的加入量为：NH3与硝酸铜的摩尔比为2～3:1，所用氨水的浓度为15mol·L-1；所述有机弱酸的加入量为：有机弱酸与稀土硝酸盐的摩尔比为2～3:1；有机弱酸以酸液的形式加入，所述酸液中有机弱酸的浓度为0.2mol·L-1；

[0038] 所述的可溶性钼酸盐为二钼酸铵、β-四钼酸铵、七钼酸铵、钼酸钾中的一种或几种；所述的弱酸是草酸、醋酸或蚁酸；所述的稀土硝酸盐为硝酸镧、硝酸铈、硝酸铈铵或硝酸钇；

[0039] 2)将加有适量氨水的硝酸铜溶液、加有适量弱酸的稀土硝酸盐溶液和钼酸或可溶性钼酸盐溶液混合均匀，得混合溶液，用硝酸调节pH值为4.5～6.0，搅拌得含溶胶的混合物，超声波震荡使其混合均匀；

[0040] 3)将步骤2)所得的含有溶胶的混合物进行水热合成反应，即于高压反应釜中，压强6～20MPa，温度160℃～180℃条件下反应20～25h，自然冷却，过滤，滤饼依次用无水乙醇和去离子水洗涤，然后75℃～85℃恒温干燥8～10h，得水热合成产物；

[0041] 4)将水热合成产物450℃～500℃下焙烧2～4h，使水热合成产物分解，得焙烧产物即复合氧化物粉体；

[0042] 5)将复合氧化物粉体于700℃～800℃下氢气还原2～4h，得还原产物即稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料。

[0043] 实施例1～6的稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料的制备方法，如上所述，具体反应条件和参数如表2所示：

[0044] 表2 实施例1～6的反应条件和参数

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[0046] 实验例1

[0047] 对实施例1所得稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料进行分析。结果如图1、2所示。

[0048] 图1为实施例1所得稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料粉末的显微组织图；图2为对比例1所得氧化镧掺杂钼铜合金复合材料粉末的EDS能谱图。从图1、2可知，实施例1所得复合材料粉体呈软团聚，粒度分布均匀，平均粒度为1μm左右。

[0049] 采用同样的方法对实施例2-6所得稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料进行分析，结果同实施例1：所述复合材料粉体呈软团聚，粒度分布均匀，平均粒度为0.5-1.5μm。

[0050] 实验例2

[0051] 将实施例1所得稀土氧化物掺杂钼铜合金复合材料经真空热压烧结得到Mo-30％Cu-1.5％La2O3合金，采用阿基米德原理测定合金密度，并计算坯料的相对密度；导电率采用FD101型数字便携式涡流电导率仪测试；采用THB-3000E电子布氏硬度计测量布氏硬度。复合材料的性能如下表3所示。同时采用对比例1不含La2O3的钼铜合金复合粉体经真空热压烧结得到Mo-30％Cu合金作为对比。

[0052] 从表3可以看出，加入稀土氧化物后，在同等烧结工艺条件下，合金的密度、致密度、导电性均有所提高。

[0053] 表3 真空热压烧结Mo-30Cu复合材料性能

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