碳化鈦/銅基複合材料的製備方法與流程
2023-05-08 23:36:41
本發明涉及金屬基複合材料領域，特別是指一種碳化鈦/銅基複合材料的製備方法。
背景技術：
隨著當今科技的迅速發展，採用單一材料來滿足人們生產和工作需要已經日趨困難，複合材料的研製和開發成為了當前材料科學與工程中的重要內容。陶瓷顆粒增強金屬基複合材料是由金屬相和脆性的陶瓷相組合成的一種典型的複合材料，它最早出現於二次世界大戰後期及其結束後的一段時間，是在對高溫高強材料的迫切要求形勢下發展起來的。金屬基複合材料受到重視的原因在於複合材料中的金屬相可以將耐熱性好，硬度大但不耐衝擊的金屬氧化物、碳化物、氮化物等陶瓷相粘結在一起，在外力作用下金屬基體產生的一定塑性變形或晶界位移產生的蠕變吸收部分能量，緩解應力集中，達到增加韌性的目的。後來的研究表明，除此之外，金屬陶瓷複合材料的增強增韌機理還包括裂紋偏西、繞道、分枝和釘扎等機理的綜合作用。陶瓷相增強金屬基複合材料在功效、可靠性和力學性能方面比傳統金屬合金優越，具有高強度、高硬度和優良的耐磨性。目前，陶瓷顆粒增強金屬基複合材料已經替代了傳統金屬材料或傳統合金材料在航空、航天、交通運輸業等許多特定應用領域得到應用，並逐漸走向工業化的規模生產。
近年來，由於銅的電導率極高，銅基複合材料在電熱材料領域特別是作為電極材料得到了廣泛的應用。但因為銅熔點偏低，使用過程中易變形，耐久性差。為了解決這一問題，陶瓷相增強金屬基複合材料越來越多被用於電極材料，特別是碳化鈦增強銅基複合材料。選用碳化鈦作為增強相的原因是其硬度高(HV=28–35GPa)， 酸性環境中耐腐蝕，高熔點(Tm=3067 ℃)，好的熱穩定性，並且有接近金屬的電導率(σRT=53–68 1/μΩ•cm)。研究人員發現由TiC和Cu組成的複合材料綜合了兩者的優異性能，在導電、導熱材料、耐磨材料及火箭喉襯用材料領域有廣泛應用價值。
在過去十幾年中，研究人員開發出多種製備TiC/Cu複合材料的方法，以粉末冶金法、機械合金化法和壓力熔滲法最為常見。粉末冶金法是製備金屬陶瓷複合材料的常用方法。將TiC粉和Cu粉末混合在一起，由於Cu粉的塑性好，變形能力強，在壓制壓力的作用下兩種粉末通過金屬Cu顆粒變形的機械咬合作用粘接在一起，形成具有一定密度的預製坯，再經過燒結得到較為緻密的材料。由於TiC和Cu的相互溶解度很小，這不利於形成良好的界面結合， 採用在TiC塗覆銅層來改善TiC/Cu複合材料導電性能。儘管粉末冶金方法有成分可控、工藝簡單等很多優點，但是，這一方法成型效率低、成本高，需要在粉末表面塗覆以改善性能，否則製備得到的複合材料微觀缺陷較多。
機械合金化製備的TiC/Cu混合粉比表面積大，擁有較大的畸變能，增大了燒結驅動力，可促進實現較低溫度下的燒結。目前，機械合金化製備TiC/Cu混合粉的缺點是長時間的球磨帶來的雜質含量增加，這將給材料的性能帶來不利的影響。
採用壓力熔滲方法可以在短時間中製造出緻密的高溫組織材料，但Cu對TiC的潤溼性較差，即使在真空狀態下1200℃下潤溼角仍達到109度，因此需要較高的成型溫度和熔滲壓力，使得熔滲法製備TiC/Cu複合材料複雜而昂貴。但如果陶瓷相是由合金液和固相坯體原位反應生成的，則可以大幅降低製備時間和熔融溫度。反應熔滲是一種原位製備過程，通過合金熔體自發熔滲進入多孔坯體並發生化學反應生成複合材料。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術之不足而提供一種製備工藝方法簡單、成本低廉、提高性能、拓展應用領域的碳化鈦/銅基複合材料及製備方法。
本發明所採用的技術方案是：碳化鈦/銅基複合材料的製備方法，以澱粉纖維素壓制碳化得到的多孔炭坯體為預製體，在預製體的孔隙中滲入銅鈦合金。
作為一種優選方式，其詳細製作過程為：按照如下的步驟進行
步驟一、取澱粉纖維素壓製得到多孔坯體；
步驟二、將多孔坯體放置於真空爐中，在真空度低於10Pa的環境中於800℃保溫30分鐘，碳化得到多孔炭坯體的預製體；
步驟三、配製Cu粉和Ti粉混合的熔滲劑，其中Ti粉質量百分比為35-50%；
步驟四、用步驟三的熔滲劑粉末包埋步驟二的預製體，放置於剛玉坩堝中，在真空條件下，於1200℃進行無壓熔滲，所得產物即為碳化鈦/銅複合材料。
作為一種優選方式：步驟一中，澱粉纖維素為羧甲基纖維素鈉粉末和聚酯酸鋅的混合物，混合物中聚酯酸鋅的質量佔5%，壓製得到的多孔坯體密度為0.9-1.3g/cm3。
作為一種優選方式：步驟三中，Cu粉和Ti粉混合的熔滲劑中Ti粉質量百分比為35-50%。
本發明的有益效果是：通過添加Ti元素，使銅合金基體與炭坯體之間具有良好的浸潤性和結合性，無需對碳預製件塗層，不但實現了無壓熔滲，簡化了工藝，而且使銅合金能充分填充炭坯體內的孔隙並最終形成網絡狀連續分布的銅合金基體，使該複合材料具有更好的導電性、衝擊強度和摩擦磨損性能；銅鈦合金與炭坯體反應熔滲生成的碳化鈦不但顯著提高複合材料的力學性能，而且作為陶瓷增強相降低了材料的磨損率；改變Ti粉質量百分比可調整金屬基體結構、控制複合材料中TiC含量進而調控材料的摩擦和導電性能，製備特定的碳化鈦增強銅合金複合材料，用作摩阻材料、電刷材料、燒蝕材料、各種滑動軸瓦、滑塊乃至生物材料。與其它銅基複合材料製備方法相比，本發明採用無壓熔滲方法，工藝簡單，成本低廉，易於實現工業化，能製備出具有高導電性、導熱性和優異耐磨性的碳化鈦/銅基複合材料。
具體實施方式
實施例1
秤取羧甲基纖維素鈉粉末混合質量分數為5%的聚酯酸鋅，壓製成0.9 g/cm3的多孔預製體，在800℃進行真空碳化處理得到多孔炭坯體；配製Cu/Ti質量比為7：3的熔滲劑；用配製好的熔滲劑包埋炭坯體，在真空條件下，1200℃保溫30min， 製備得到碳化鈦/銅複合材料。
實施例2
秤取羧甲基纖維素鈉粉末混合質量分數為5%的聚酯酸鋅，壓製成1.1 g/cm3的多孔預製體，在800℃進行真空碳化處理得到多孔炭坯體；配製Cu/Ti質量比為6：4的熔滲劑；用配製好的熔滲劑包埋炭坯體，在真空條件下，1200℃保溫30min， 製備得到碳化鈦/銅複合材料。
其主要性能指標如下表所示：
實施例3
秤取羧甲基纖維素鈉粉末混合質量分數為5%的聚酯酸鋅，壓製成1.3 g/cm3的多孔預製體，在800℃進行真空碳化處理得到多孔炭坯體；配製Cu/Ti質量比為5：5的熔滲劑；用配製好的熔滲劑包埋炭坯體，在真空條件下，1200℃保溫30min， 製備得到碳化鈦/銅複合材料。
其主要性能指標如下表所示：
本發明在實現過程中保持多孔預製體（羧甲基纖維素鈉粉末和聚酯酸鋅的混合物）密度為0.9-1.3g/cm3是使銅合金能充分填充炭坯體內的孔隙並最終形成網絡狀連續分布的銅合金基體的關鍵，密度太大或者太小都會造成填充後不能形成網絡狀連續分布的銅合金基體，因此選擇合適的澱粉纖維素才能滿足本發明需要。