一种纳米二氧化钛增强铜基复合材料的制备方法

摘要

本发明涉及一种纳米二氧化钛增强铜基复合材料的制备方法将氨水加入酒精中得到0.6vol.％的氨水酒精溶液，超声条件下加入TBOT使其缓慢水解得到钛氧聚合物，之后加入硝酸铜80度水浴搅拌干燥，之后在管式炉中煅烧还原处理得到TiO2/Cu的复合粉末，最后通过热压成形制备出高致密度的纳米TiO2增强铜基复合材料。本发明很好的解决了TiO2的分散性问题，取得了良好的力学和电学性能，在电刷以及高温导热器件上具有很好的应用前景。

权利要求

1.一种纳米二氧化钛增强铜基复合材料的制备方法；其特征包括以下过程：

(1)纳米TiO2增强铜基复合材料前驱体粉末的制备：

将浓氨水以0.4％-0.6％的体积比溶于500ml无水乙醇中，超声30min使其混合均匀；在持续超声状态下，按照200-750μl/500ml的体积比将少量的钛酸四丁酯缓慢的加入到上述氨水酒精溶液中，加完后继续超声30min,之后在40至60度条件下水浴搅拌36h使钛酸四丁酯缓慢水解得到钛和氧的聚合物；之后向其中以三水合硝酸铜和上述溶液19-40g：500ml的比例加入三水合硝酸铜，在80度水浴搅拌条件下浸渍干燥，则得到不同含量钛氧聚合物和硝酸铜的复合粉末；将复合粉末在400度氢气条件下煅烧还原1h即可得到纳米TiO2增强铜基复合材料的前驱体粉末；

(2)纳米TiO2增强铜基复合材料的成型

将步骤(1)制得的TiO2增强铜基复合材料的前驱体粉末于800摄氏度、50MPa条件下在真空热压烧结炉中烧结即可得到高致密度的纳米TiO2增强铜基复合材料。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是步骤(2)真空度达10-1Pa,烧结时间为1h。

说明书

一种纳米二氧化钛增强铜基复合材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种利用粉末冶金原位合成纳米TiO2增强铜基复合材料的方法，属于粉末冶金技术领域。

背景技术

[0002] 纯铜是一种导电性、延展性、导热性都很好的材料，广泛应用于电子信息、电力系统、交通运输和国防军工等工业领域。美中不足的是，纯铜的原始强度很低，在电子器件(例如PCB板)的应用上由于强度不够高而产生种种问题，例如寿命缩短，易于损坏等。随着社会发展以及电子信息技术的飞速发展，人们对于材料的综合性能要求越来越高，铜基复合材料则可以很好的解决这些问题。在高强度铜材(例如强度可高达1500MPa的铍青铜)的制备上，传统的方法借助于合金化法以及添加第二项颗粒得以实现，但是这些方法都会不同程度的降低材料的导电导热率。对于材料强度要求不高电力传输系统，为了降低输电损耗，一般用导电率100％IACS的纯铜，而对于那些对导电性要求不是很高但是对材料机械性能又有一定要求的的地方，如电刷、高温导热器件、顽皮雷弹等，则必须采用高强度较高(80％IACS)导电率的铜合金或铜基复合材料。因此，在增强纯铜强度的同时尽可能的减小材料的导电性损失成为人们一直在探索的难点。

[0003] 目前已经有许多硬质第二相被用来增强铜或其合金，比如Al2O3、TiC、ZrB2、TiB2、等，但是由于制备工艺的难易度以及成本等问题，目前只有Al2O3增强铜基复合材料得到了商业化。即使如此，Al-10弥散强化型无氧铜的导电率也只有90％，而Al-35和Al-60型的导电率更低。

[0004] TiO2俗称钛白粉，是一种应用广泛的化工原料，由于其比较高的硬度、强度、模量以及不高的价格和广泛的来源，我们认为其可以成为和氧化铝一样优秀的增强体并工业化生产。此前国内外也有通过内氧化法和化学合成法制备TiO2增强铜基复合材料的报道，但是其得到的最好的导电率只有78％并伴随着材料塑性的剧烈下降，远远不能满足工业化的要求，而且，其通过化学合成法的工艺步骤是及其繁杂的。

[0005] 在此之前，研究人员利用氨水浓度控制TBOT的水解，并通过硝酸铜的浸渍还原作为一种原位合成的方法，可以控制TiO2的粒径并取得比较均匀的分散效果，此外由于TiO2和铜粉是原位结合在一起的，所以可以取得比较好的结合性，为复合材料的性能提升提供了保证。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提供一种简单易行的粉末冶金原位合成TiO2/Cu复合材料的制备方法。该方法能够使TiO2取得良好的粒径分布和结合性，该方法过程简单，所制得复合材料力学性能以及导电性能优良。

[0007] 为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案加以实现的，

[0008] 一种纳米二氧化钛增强铜基复合材料的制备方法；其特征包括以下过程：

[0009] (1)纳米TiO2增强铜基复合材料前驱体粉末的制备：

[0010] 将浓氨水以0.4％-0.6％的体积比溶于500ml无水乙醇中，超声30min使其混合均匀；在持续超声状态下，按照200-750μl/500ml的体积比将少量的钛酸四丁酯缓慢的加入到上述氨水酒精溶液中，加完后继续超声30min,之后在40至60度条件下水浴搅拌36h使钛酸四丁酯缓慢水解得到钛和氧的聚合物；之后向其中以三水合硝酸铜和上述溶液19-40g：500ml的比例加入三水合硝酸铜，在80度水浴搅拌条件下浸渍干燥，则得到不同含量钛氧聚合物和硝酸铜的复合粉末；将复合粉末在400度氢气条件下煅烧还原1h即可得到纳米TiO2增强铜基复合材料的前驱体粉末。

[0011] (2)纳米TiO2增强铜基复合材料的成型

[0012] 将步骤(1)制得的TiO2增强铜基复合材料的前驱体粉末于800摄氏度、50MPa条件下在真空热压烧结炉中烧结即可得到高致密度的纳米TiO2增强铜基复合材料。

[0013] 本发明具有以下优点：首先直接采用氨水控制TBOT的缓慢水解，有助于得到粒径小而均匀的纳米TiO2颗粒；采用酒精溶液浸渍法可以使钛氧聚合物和铜盐得到均匀的混合，从而在还原后得到分散性、结合性良好的TiO2/Cu复合粉末；采用热压作为粉末冶金工艺，有提高材料的致密度，并减弱TiO2纳米粒子的再团聚，最终得到力学、电学性能优良的材料。

[0014] 本发明采用原位热还原法和粉末冶金中的热压成型，实现了对铜基体材料的强化的同时，导电性能下降很少，对于高强铜材在电刷、高温导热器件上的应用有着较好的前景。

附图说明

[0015] 图1a为实施例1中还原后的铜粉的扫描电镜照片。

[0016] 图1b为实施例1中得到的块体的应力应变曲线。

[0017] 图2a为实施例2中钛氧聚合物的透射照片以及能谱分析结果。

[0018] 图2b为实施例2中钛氧聚合物的XRD测试结果。

[0019] 图2c为实施例2中TiO2/Cu块体腐蚀掉表面铜基体的扫描照片。

[0020] 图2d为实施例2中从TiO2/Cu块体中萃取出来的TiO2的透射照片。

[0021] 图2e为实施例2中从TiO2/Cu块体中萃取出来的TiO2的XRD测试结果。

[0022] 图2f为实施例2中TiO2/Cu(0.82wt.％)复合材料的应力应变曲线。

[0023] 图3为实施例3中TiO2/Cu(1.64wt.％)复合材料的应力应变曲线。

[0024] 图4为实施例4中TiO2/Cu(3.28wt.％)复合材料的应力应变曲线。

[0025] 图5为实施例1-4中不同材料性能总结对比表。

具体实施方式

[0026] 下面结合实施例进一步说明本发明，这些实施例只用于说明本发明，并不限制本发明。

[0027] 实施例1

[0028] 作为对照实验，将38.825g三水合硝酸铜加入500ml无水乙醇中，在80度水浴条件下干燥，之后在400度氢气氛围(氢气流量200ml/min)下煅烧还原3h得到纯铜的粉末，将该粉末在800度、50MPa条件下真空热压烧结得到纯铜的对照样。煅烧还原后的铜粉在扫描电镜下的形貌如图1a所示，得到的块体的应力应变曲线如图1b所示。

[0029] 实施例2

[0030] 将3ml浓氨水溶于500ml无水乙醇中超声30min；在持续超声状态下，将375μl TBOT缓慢的加入到上述氨水酒精溶液中继续超声30min,之后45度条件下水浴搅拌36h，之后向其中加入38.825g的三水合硝酸铜，在80度水浴搅拌条件下浸渍干燥，则得到钛氧聚合物和硝酸铜的复合粉末；将复合粉末在400度氢气条件下(氢气流量200ml/min)煅烧还原则3h即得到纳米TiO2增强铜基复合材料的前驱体粉末。将前驱体粉末在800度、50MPa条件下真空热压1h即得到最终的纳米TiO2(0.82wt.％)增强铜基复合材料。通过TBOT水解得到的钛氧聚合物的透射照片以及能谱分析见图2a,其XRD表征如图2b显示为无定形结构。TiO2在复合材料中的分布见图2c，复合材料中萃取出来的TiO2透射形貌见图2d,TiO2的XRD表征见图2e，图2f给出了TiO2/Cu(0.82wt.％)复合材料的应力应变曲线。

[0031] 实施例3

[0032] 将3ml浓氨水溶于500ml无水乙醇中超声30min；在持续超声状态下，将750μl TBOT缓慢的加入到上述氨水酒精溶液中继续超声30min,之后45度条件下水浴搅拌36h，之后向其中加入38.825g的三水合硝酸铜，在80度水浴搅拌条件下浸渍干燥，则得到钛氧聚合物和硝酸铜的复合粉末；将复合粉末在400度氢气条件下(氢气流量200ml/min)煅烧还原则3h即得到纳米TiO2增强铜基复合材料的前驱体粉末。将前驱体粉末在800度、50MPa条件下真空热压1h即得到最终的纳米TiO2(1.64wt.％)增强铜基复合材料。图3给出了TiO2/Cu(1.64wt.％)复合材料的应力应变曲线。

[0033] 实施例4

[0034] 将3ml浓氨水溶于500ml无水乙醇中超声30min；在持续超声状态下，将750μl TBOT缓慢的加入到上述氨水酒精溶液中继续超声30min,之后45度条件下水浴搅拌36h，之后向其中加入19.410g的三水合硝酸铜，在80度水浴搅拌条件下浸渍干燥，则得到钛氧聚合物和硝酸铜的复合粉末；将复合粉末在400度氢气条件下(氢气流量200ml/min)煅烧还原3h即得到纳米TiO2增强铜基复合材料的前驱体粉末。将前驱体粉末在800度、50MPa条件下真空热压1h即得到最终的纳米TiO2(3.28wt.％)增强铜基复合材料。图4给出了TiO2/Cu(3.28wt.％)复合材料的应力应变曲线。另外，图5给出了各个不同材料性能总结。