[發(fā)明專利]快速凝固制備長尺寸納米碳銅基復(fù)合材料的方法、其應(yīng)用及裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011172711.9
• 申請日: 2020-10-28
• 公開（公告）號: CN112410606B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鐘云波;沈喆;林中澤;朱家樂;任朗
• 申請（專利權(quán)）人: 上海大學(xué)
• 主分類號: C22C1/10
• 分類號: C22C1/10;C22C1/02;C22B4/06;C22C9/00;C22C32/00
• 代理公司: 上海上大專利事務(wù)所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

1.一種快速凝固連續(xù)化制備長尺寸納米碳銅基復(fù)合材料的方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟1：采用熔煉爐，在高真空熔煉爐腔室（1）中的水冷銅盤（3）上放置一個(gè)石墨坩堝（2），將待熔化的銅料（12）放入石墨坩堝（2）中，設(shè)置鎢電極（5）作為對銅料（12）進(jìn)行加熱的裝置，并在石墨坩堝（2）底部插入引錠銅桿（4），在石墨坩堝（2）下方的結(jié)晶器下部的外側(cè)，設(shè)置感應(yīng)線圈裝置（9），感應(yīng)線圈裝置（9）的線圈對結(jié)晶器內(nèi)金屬液和石墨坩堝（2）的金屬液流出段通過的金屬液施加驅(qū)動(dòng)金屬液被動(dòng)流動(dòng)的動(dòng)能，使感應(yīng)線圈裝置（9）與鎢電極（5）組成電磁攪拌裝置，從而形成一體化熔鑄裝置；

步驟2：關(guān)閉熔煉爐，并抽真空至氣壓不高于4×10^-4Pa；然后開啟熔煉爐電源，對鎢電極（5）通入高電流（6），通過高電流（6）所激發(fā)的電弧，熔化石墨坩堝（2）中的銅料（12）形成銅熔體（7），同時(shí)激發(fā)石墨坩堝（2）中的碳原子（8）以熱擴(kuò)散的形式進(jìn)入銅熔體（7）中，形成碳-銅混合的金屬溶液；將銅熔體溫度提高到2000-3000℃，進(jìn)而提高碳在銅中的溶解度；

步驟3：待石墨坩堝（2）中的銅料（12）完全熔化后，開啟感應(yīng)線圈裝置（9），對線圈（10）通入直流電，以激發(fā)豎直磁場（11）；該豎直磁場（11）與銅熔體（7）中的高電流（6）相互作用，將在銅熔體（7）中形成電磁攪拌效果的金屬液流（15），這將對銅熔體（7）中的碳原子（8）進(jìn)行攪拌，促進(jìn)碳原子（8）均勻分布于銅熔體（7）中；

步驟4：待銅熔體（7）攪拌均勻后，開啟抽拉機(jī)構(gòu)（13）；利用水冷銅盤（3）具有的極強(qiáng)的冷卻能力，在開啟抽拉機(jī)構(gòu)（13）后，均勻混合了金屬-碳的銅熔體（7）被向下抽拉，并迅速冷卻；通過快速冷卻，使碳原子（8）在銅熔體（7）中未能形核、長大并析出，從而形成納米碳銅復(fù)合材料；

步驟5：待納米碳銅復(fù)合材料的向下抽拉機(jī)構(gòu)（13）開啟后，為補(bǔ)充石墨坩堝（2）中銅料（12），開啟連續(xù)補(bǔ)料機(jī)構(gòu)（14），將銅料（12）源源不斷補(bǔ)充到石墨坩堝（2）中，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)料-熔化-攪拌-連鑄凝固一體化，進(jìn)行快速凝固連續(xù)化制備長尺寸納米碳銅基復(fù)合材料。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述快速凝固連續(xù)化制備長尺寸納米碳銅基復(fù)合材料的方法，其特征在于：感應(yīng)線圈匝數(shù)可調(diào)，設(shè)置為1-1000匝；感應(yīng)線圈中通入的電流采用直流電流、交流電流或者脈沖電流，其電流大小范圍為0.001A-100A，交流電流及脈沖電流頻率范圍為0.001Hz-10000Hz。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述快速凝固連續(xù)化制備長尺寸納米碳銅基復(fù)合材料的方法，其特征在于：用于多種形狀的納米碳銅基復(fù)合材料制備，包括但不限于半球形、半橢球形、方形或異形的金屬鑄件形狀。

4.一種快速凝固連續(xù)化制備長尺寸納米碳銅基復(fù)合材料的裝置，其特征在于，其設(shè)備構(gòu)成為：主要由高真空電弧熔煉爐腔室（1）、石墨坩堝（2）、水冷銅盤（3）、鎢電極（5）、感應(yīng)線圈裝置（9）、結(jié)晶器、抽拉機(jī)構(gòu)（13）和連續(xù)補(bǔ)料機(jī)構(gòu)（14）組成；石墨坩堝（2）置于水冷銅盤（3）上部，用于盛裝銅料（12）；設(shè)置鎢電極（5）作為對銅料（12）進(jìn)行加熱的裝置，在鎢電極（5）中通入進(jìn)行熔煉的高電流（6），激發(fā)電弧，形成高溫條件，熔化銅料（12），形成銅熔體（7）；在高溫與電弧條件下，石墨坩堝（2）中的碳原子（8）被激發(fā)，并進(jìn)入銅熔體（7）中；將結(jié)晶器設(shè)置于石墨坩堝（2）下方，設(shè)置感應(yīng)線圈裝置（9），感應(yīng)線圈裝置（9）的線圈對結(jié)晶器內(nèi)金屬液和石墨坩堝（2）的金屬液流出段通過的金屬液施加驅(qū)動(dòng)金屬液被動(dòng)流動(dòng)的動(dòng)能，使感應(yīng)線圈裝置（9）與鎢電極（5）組成電磁攪拌裝置，從而形成一體化熔鑄裝置；在感應(yīng)線圈裝置（9）中的線圈（10）中通入高電流（6），誘導(dǎo)豎直磁場（11）；通過豎直磁場（11）與熔煉所用高電流（6）的相互作用，在銅熔體（7）中形成電磁攪拌的金屬液流（15），均勻化銅熔體（7）及銅熔體（7）中的碳原子（8）的分布；利用水冷銅盤（3）的強(qiáng)水冷效應(yīng)能力，連續(xù)抽拉引錠銅桿（4），實(shí)現(xiàn)納米碳銅熔體的快速凝固和連續(xù)化制備；設(shè)置連續(xù)補(bǔ)料機(jī)構(gòu)（14），將銅料（12）源源不斷補(bǔ)充到石墨坩堝（2）中，利用抽拉機(jī)構(gòu)（13）與連續(xù)補(bǔ)料機(jī)構(gòu)（14）的配合，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)料-熔化-攪拌-連續(xù)凝固的一體化制備流程，制備快速凝固連續(xù)化制備長尺寸納米碳銅基復(fù)合材料。