一种TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料的制备方法

摘要

一种TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料的制备方法。该材料的制备以Ti粉、炭黑、Cu粉、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)酒精溶液为初始原料。利用不同浓度PVB的造孔作用以及Ti与C在900～1300℃的温度和50～500MPa成型压力下反应程度不同的特点，原位制备出气孔分布均匀、气孔率可调的非化学计量比TiCx预制体。之后用熔融的Cu无压浸渗多孔TiCx预制体的方法成功制备出了陶瓷相含量高且可调的金属陶瓷材料。该方法制备的TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料具有高强度、高硬度、高耐磨、耐高温及良好延展性等显著特点，可用于交通运输、航空航天、军工等领域的关键部件，如高铁制动系统中的闸片，电阻焊电极材料等。

权利要求

1.一种TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于：(1)该方法制备得到的TiCx/Cu金属陶瓷材料，其成分如下：金属相Cu的含量为5～

34.25vol％；陶瓷相TiCx的含量为：95～65.75vol％；

(2)该方法制备得到的TiCx/Cu金属陶瓷材料，其显微结构如下：陶瓷相TiCx与金属相Cu各自呈三维空间连续分布，二者界面结合牢固；

(3)该方法包括以下步骤：

步骤1，配料：将钛粉和炭黑按照摩尔比2:1配料，所述钛粉的粒径≤45μm；

步骤2，混料：将上述配好的料100g放入球磨罐中，再加入500g不锈钢球，在高能行星球磨机中球磨10h，转速为250～400r/min；

步骤3，引入造孔剂：将步骤2中球磨后的料100g和浓度为1～5wt％的PVB酒精溶液100g搅拌混匀，放置在50℃的烘箱中烘24h；

步骤4，压坯：将烘干后的粉秤取适量放置在Φ50的模具中，并施加50～500MPa的压强，使模具中的粉料压实成型；

步骤5，烧结：将坯体放入高温炉中，在真空环境下，400℃之前按照3～5℃/min的升温速率，在400℃保温60min，然后10℃/min升至反应温度900～1300℃，反应时间30～60min，冷却后取出；

步骤6，超声波清洗：将取出后的坯体放置在酒精环境中超声波清洗30min，在50℃的烘箱中烘干48h，就得到多孔TiCx预制体；

步骤7，无压浸渗：将预制体放置在石墨坩埚中，预制体上铺适量铜粉，放入高温炉中，在真空环境下，以10℃/min升至1100～1200℃，反应时间30min，冷却后取出，即得到TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料。

说明书

一种TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料的制备方法。

背景技术

[0002] 铜及其合金材料因具有良好的导电导热性、易加工性和高韧性等特点而受到中外研究者的广泛关注。但是，由于纯铜材料的强度低、硬度低，使得纯铜在工业上的广泛使用受到了限制。TiC是一种常用作增强相的立方晶系硬质颗粒，因其具有高熔点、高硬度、高温稳定性和高化学稳定性等特点而被广泛应用于切削刀具材料、耐磨耐火材料、航空和冶金矿产等领域。在现有的研究中，TiC普遍是以颗粒存在于基体铜中，通过阻碍晶界滑移起到增强基体的作用，但是这种方法很难制备出高陶瓷含量的复合材料。在现有的制备方法中，浸渗法是一种制备高陶瓷含量的复合材料的有效方法。但是，由于TiC与铜的润湿性差，因此通过普通手段无法达到浸渗的目的。有研究表明，当C与Ti的化学计量比小于0.7 时，TiCx与Cu表现出良好的润湿性。鉴于上述特点，本发明采用了两个步骤成功制备出了TiCx含量高的金属陶瓷材料。步骤一，制备非化学计量比的多孔TiCx预制体；步骤二，在高温下用熔融的Cu无压浸渗步骤一中制备出的多孔预制体。用这种方法成功制备出了TiCx含量高，结构致密，并且陶瓷相与金属相界面结合好的TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料。该方法是一种制备高陶瓷含量复合材料的有效方法。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种以非化学计量比的多孔TiCx预制体(气孔率为 5～50％)和Cu粉为原料制备TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料的制备方法。

[0004] 本发明的技术方案：

[0005] 1、一种TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于：

[0006] (1)该方法制备得到的TiCx/Cu金属陶瓷材料，其成分如下：金属相Cu的含量为5～50vol％；陶瓷相TiCx的含量为：95～50vol％；

[0007] (2)该方法制备得到的TiCx/Cu金属陶瓷材料，其显微结构如下：陶瓷相TiCx与金属相Cu各自呈三维空间连续分布，二者界面结合牢固；

[0008] (3)该方法包括以下步骤：

[0009] 步骤1，配料：将钛粉(粒径≤45μm)和炭黑按照摩尔比2:1配料；

[0010] 步骤2，混料：将上述配好的料100g放入球磨罐中，再加入500g不锈钢球，在高能行星球磨机中球磨10h，转速为250～400r/min；

[0011] 步骤3，引入造孔剂：将步骤2中球磨后的料100g和浓度为1～5wt％的PVB酒精溶液100g搅拌混匀，放置在50℃的烘箱中烘24h；

[0012] 步骤4，压坯：将烘干后的粉秤取适量放置在Φ50的模具中，并施加50～ 500MPa的压强，使模具中的粉料压实成型；

[0013] 步骤5，烧结：将坯体放入高温炉中，在真空环境下，400℃之前按照3～5℃/min 的升温速率，在400℃保温60min，然后10℃/min升至反应温度900～1300℃，反应时间30～60min，冷却后取出；

[0014] 步骤6，超声波清洗：将取出后的坯体放置在酒精环境中超声波清洗30min，在50℃的烘箱中烘干48h，就得到多孔TiCx预制体；

[0015] 步骤7，无压浸渗：将预制体放置在石墨坩埚中，预制体上铺适量铜粉，放入高温炉中，在真空环境下，以10℃/min升至1100～1200℃，反应时间30min，冷却后取出，即得到TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料。

[0016] 本发明所具有的有益效果：

[0017] 本发明方法可以制备TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料；该金属陶瓷材料TiCx/Cu 是通过熔融的铜无压浸渗多孔TiCx预制体制得，利用TiCx与Cu的互为骨架、相互增强并且界面结合良好的特点，使得材料同时具备了金属和陶瓷的双重性能；通过引入造孔剂以及控制Ti与C的反应程度，控制多孔TiCx预制体的气孔率，也就控制了TiCx/Cu双连续金属陶瓷中的金属铜的含量。本发明的制备方法具有工艺简单、操作方便、成本低等显著特点。

[0018] 本发明制备的TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料可用于交通运输、航空航天、军工等领域的关键部件，如高铁制动系统中的闸片，电阻焊电极材料等。

附图说明

[0019] 图1和图2分别是多孔TiCx预制体和无压浸渗铜后的TiCx/Cu双连续金属陶瓷显微结构的扫描电镜照片(SEM)

具体实施方式

[0020] 实施方式一

[0021] 秤取钛粉(粒径≤45μm)88.86g，炭黑11.14g，不锈钢球500g放置在行星球磨罐中，高能球磨10h，转速300r/min。将球磨后的料100g和浓度为1wt％的PVB 溶液100g搅拌混匀，放置在50℃的烘箱中烘24h，将烘干后的粉秤取40g放置在Φ50的模具中，并施加500MPa的压强，使模具中的粉料压实成型，将坯体放入高温炉中，在真空环境下，400℃之前按照3℃/min的升温速率，在400℃保温60min，然后10℃/min升至反应温度1300℃，反应时间30min，冷却后取出，将取出后的坯体放置在酒精环境中超声波清洗30min，在50℃的烘箱中烘干48h，就得到多孔TiCx预制体，将预制体放置在石墨坩埚中，预制体上铺50g铜粉，放入高温炉中，在真空环境下，以10℃/min升至1200℃，反应时间30min，冷却后取出，即得到金属相含量为5.03vol％的TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料。

[0022] 实施方式二

[0023] 秤取钛粉(粒径≤45μm)88.86g，炭黑11.14g，不锈钢球500g放置在行星球磨罐中，高能球磨10h，转速300r/min。将球磨后的料100g和浓度为2wt％的PVB 溶液100g搅拌混匀，放置在50℃的烘箱中烘24h，将烘干后的粉秤取40g放置在Φ50的模具中，并施加250MPa的压强，使模具中的粉料压实成型，将坯体放入高温炉中，在真空环境下，400℃之前按照3℃/min的升温速率，在400℃保温60min，然后10℃/min升至反应温度1300℃，反应时间30min，冷却后取出，将取出后的坯体放置在酒精环境中超声波清洗30min，在50℃的烘箱中烘干48h，就得到多孔TiCx预制体，将预制体放置在石墨坩埚中，预制体上铺50g铜粉，放入高温炉中，在真空环境下，以10℃/min升至1200℃，反应时间30min，冷却后取出，即得到金属相含量为15.88vol％的TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料。

[0024] 实施方式三

[0025] 秤取钛粉(粒径≤45μm)88.86g，炭黑11.14g，不锈钢球500g放置在行星球磨罐中，高能球磨10h，转速300r/min。将球磨后的料100g和浓度为3wt％的PVB 溶液100g搅拌混匀，放置在50℃的烘箱中烘24h，将烘干后的粉秤取40g放置在Φ50的模具中，并施加500MPa的压强，使模具中的粉料压实成型，将坯体放入高温炉中，在真空环境下，400℃之前按照3℃/min的升温速率，在400℃保温60min，然后10℃/min升至反应温至1100℃，反应时间30min，冷却后取出，将取出后的坯体放置在酒精环境中超声波清洗30min，在50℃的烘箱中烘干48h，就得到多孔TiCx预制体，将预制体放置在石墨坩埚中，预制体上铺50g铜粉，放入高温炉中，在真空环境下，以10℃/min升至1200℃，反应时间30min，冷却后取出，即得到金属相含量为23.16vol％的TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料。

[0026] 实施方式四

[0027] 秤取钛粉(粒径≤45μm)88.86g，炭黑11.14g，不锈钢球500g放置在行星球磨罐中，高能球磨10h，转速300r/min。将球磨后的料100g和浓度为3wt％的PVB 溶液100g搅拌混匀，放置在50℃的烘箱中烘24h，将烘干后的粉秤取40g放置在Φ50的模具中，并施加70MPa的压强，使模具中的粉料压实成型，将坯体放入高温炉中，在真空环境下，400℃之前按照3℃/min的升温速率，在400℃保温 60min，然后10℃/min升至反应温度1300℃，反应时间30min，冷却后取出，将取出后的坯体放置在酒精环境中超声波清洗30min，在50℃的烘箱中烘干48h，就得到多孔TiCx预制体，将预制体放置在石墨坩埚中，预制体上铺50g铜粉，放入高温炉中，在真空环境下，以10℃/min升至1200℃，反应时间30min，冷却后取出，即得到金属相含量为34.25vol％的TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料。

[0028] 实施方式五

[0029] 秤取钛粉(粒径≤45μm)88.86g，炭黑11.14g，不锈钢球500g放置在行星球磨罐中，高能球磨10h，转速300r/min。将球磨后的料100g和浓度为5wt％的PVB 溶液100g搅拌混匀，放置在50℃的烘箱中烘24h，将烘干后的粉秤取40g放置在Φ50的模具中，并施加70MPa的压强，使模具中的粉料压实成型，将坯体放入高温炉中，在真空环境下，400℃之前按照3℃/min的升温速率，在400℃保温 60min，然后10℃/min升至反应温度900℃，反应时间30min，冷却后取出，将取出后的坯体放置在酒精环境中超声波清洗30min，在50℃的烘箱中烘干48h，就得到多孔TiCx预制体，将预制体放置在石墨坩埚中，预制体上铺50g铜粉，放入高温炉中，在真空环境下，以10℃/min升至1200℃，反应时间30min，冷却后取出，即得到金属相含量为50.01vol％的TiCx/Cu双连续金属陶瓷材料。