碳化鈦/銅基復合材料的制備方法技術

本發明專利技術涉及金屬基復合材料領域，特別是指一種碳化鈦/銅基復合材料的制備方法。一種碳化鈦/銅基復合材料的制備方法，是以淀粉纖維素壓制碳化得到的多孔炭坯體為預制體，在預制體的孔隙中滲入銅鈦合金。本發明專利技術采用無壓熔滲方法，工藝簡單，成本低廉，易于實現工業化，能制備出具有高導電性、高導熱性和優異耐磨性的碳化鈦/銅基復合材料。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及金屬基復合材料領域，特別是指一種碳化鈦/銅基復合材料的制備方法。
技術介紹
隨著當今科技的迅速發展，采用單一材料來滿足人們生產和工作需要已經日趨困難，復合材料的研制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復合材料是由金屬相和脆性的陶瓷相組合成的一種典型的復合材料，它最早出現于二次世界大戰后期及其結束后的一段時間，是在對高溫高強材料的迫切要求形勢下發展起來的。金屬基復合材料受到重視的原因在于復合材料中的金屬相可以將耐熱性好，硬度大但不耐沖擊的金屬氧化物、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。后來的研究表明，除此之外，金屬陶瓷復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。陶瓷相增強金屬基復合材料在功效、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復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，并逐漸走向工業化的規模生產。近年來，由于銅的電導率極高，銅基復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，陶瓷相增強金屬基復合材料越來越多被用于電極材料，特別是碳化鈦增強銅基復合材料。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，并且有接近金屬的電導率(σRT=53–681/μΩ?cm)。研究人員發現由TiC和Cu組成的復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制備TiC/Cu復合材料的方法，以粉末冶金法、機械合金化法和壓力熔滲法最為常見。粉末冶金法是制備金屬陶瓷復合材料的常用方法。將TiC粉和Cu粉末混合在一起，由于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制坯，再經過燒結得到較為致密的材料。由于TiC和Cu的相互溶解度很小，這不利于形成良好的界面結合，采用在TiC涂覆銅層來改善TiC/Cu復合材料導電性能。盡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，需要在粉末表面涂覆以改善性能，否則制備得到的復合材料微觀缺陷較多。機械合金化制備的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，機械合金化制備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。采用壓力熔滲方法可以在短時間中制造出致密的高溫組織材料，但Cu對TiC的潤濕性較差，即使在真空狀態下1200℃下潤濕角仍達到109度，因此需要較高的成型溫度和熔滲壓力，使得熔滲法制備TiC/Cu復合材料復雜而昂貴。但如果陶瓷相是由合金液和固相坯體原位反應生成的，則可以大幅降低制備時間和熔融溫度。反應熔滲是一種原位制備過程，通過合金熔體自發熔滲進入多孔坯體并發生化學反應生成復合材料。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服現有技術之不足而提供一種制備工藝方法簡單、成本低廉、提高性能、拓展應用領域的碳化鈦/銅基復合材料及制備方法。本專利技術所采用的技術方案是：碳化鈦/銅基復合材料的制備方法，以淀粉纖維素壓制碳化得到的多孔炭坯體為預制體，在預制體的孔隙中滲入銅鈦合金。作為一種優選方式，其詳細制作過程為：按照如下的步驟進行步驟一、取淀粉纖維素壓制得到多孔坯體；步驟二、將多孔坯體放置于真空爐中，在真空度低于10Pa的環境中于800℃保溫30分鐘，碳化得到多孔炭坯體的預制體；步驟三、配制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制體，放置于剛玉坩堝中，在真空條件下，于1200℃進行無壓熔滲，所得產物即為碳化鈦/銅復合材料。作為一種優選方式：步驟一中，淀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占5%，壓制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%。本專利技術的有益效果是：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，無需對碳預制件涂層，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并最終形成網絡狀連續分布的銅合金基體，使該復合材料具有更好的導電性、沖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復合材料的力學性能，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、控制復合材料中TiC含量進而調控材料的摩擦和導電性能，制備特定的碳化鈦增強銅合金復合材料，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。與其它銅基復合材料制備方法相比，本專利技術采用無壓熔滲方法，工藝簡單，成本低廉，易于實現工業化，能制備出具有高導電性、導熱性和優異耐磨性的碳化鈦/銅基復合材料。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，壓制成0.9g/cm3的多孔預制體，在800℃進行真空碳化處理得到多孔炭坯體；配制Cu/Ti質量比為7：3的熔滲劑；用配制好的熔滲劑包埋炭坯體，在真空條件下，1200℃保溫30min，制備得到碳化鈦/銅復合材料。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，壓制成1.1g/cm3的多孔預制體，在800℃進行真空碳化處理得到多孔炭坯體；配制Cu/Ti質量比為6：4的熔滲劑；用配制好的熔滲劑包埋炭坯體，在真空條件下，1200℃保溫30min，制備得到碳化鈦/銅復合材料。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，壓制成1.3g/cm3的多孔預制體，在800℃進行真空碳化處理得到多孔炭坯體；配制Cu/Ti質量比為5：5的熔滲劑；用配制好的熔滲劑包埋炭坯體，在真空條件下，1200℃保溫30min，制備得到碳化鈦/銅復合材料。其主要性能指標如下表所示：本專利技術在實現過程中保持多孔預制體（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并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后不能形成網絡狀連續分布的銅合金基體，因此選擇合適的淀粉纖維素才能滿足本專利技術需要。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
碳化鈦/銅基復合材料的制備方法，其特征在于：以淀粉纖維素壓制碳化得到的多孔炭坯體為預制體，在預制體的孔隙中滲入銅鈦合金。

【技術特征摘要】
1.碳化鈦/銅基復合材料的制備方法，其特征在于：以淀粉纖維素壓制碳化得到的多孔炭坯體為預制體，在預制體的孔隙中滲入銅鈦合金。2.根據權利要求1所述的碳化鈦/銅基復合材料的制備方法，其特征在于：按照如下的步驟進行步驟一、取淀粉纖維素壓制得到多孔坯體；步驟二、將多孔坯體放置于真空爐中，在真空度低于10Pa的環境中于800℃保溫30分鐘，碳化得到多孔炭坯體的預制體；步驟三、配制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...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊琳，喬力，
申請(專利權)人：太原理工大學，
類型：發明
國別省市：山西;14