[發明專利]快速凝固制備長尺寸納米碳銅基復合材料的方法、其應用及裝置

有效

• 申請號: 202011172711.9
• 申請日: 2020-10-28
• 公開（公告）號: CN112410606B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 鐘云波;沈喆;林中澤;朱家樂;任朗
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: C22C1/10
• 分類號: C22C1/10;C22C1/02;C22B4/06;C22C9/00;C22C32/00
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

本發明公開了一種采用快速凝固制備納米碳銅基復合材料的方法、應用及裝置，將銅料放入高純石墨坩堝，對電弧熔煉爐抽真空后，開啟熔煉爐電源，對爐中鎢電極通以強電流，激發電弧并迅速熔化石墨坩堝中的純銅。在高溫和電弧條件下，石墨坩堝中的碳原子將被激發并以熱擴散形式進入到熔融銅中。待金屬完全熔化后，開啟感應線圈并攪拌熔體，使熔融銅中碳原子均勻分布于其中，待攪拌均勻后，開啟連續抽拉機構，將熔體向下抽拉，熔體將被快速凝固并連續成型。由于快速凝固條件，碳原子來不及在銅基體中析出，而形成納米碳銅基復合材料，實現補料?熔化?攪拌?連續凝固制備一體化流程。本方明制備方法簡單，易操作，效率高能耗低，原料設備成本低廉。

技術領域

本發明涉及高導銅和復合材料領域，具體涉及一種快速凝固制備長尺寸金屬-石墨復合材料的方法和裝置。

背景技術

隨著科學技術的不斷向前發展，工業界對純銅以及銅合金性能的要求也越來越高。例如隨著集成電路芯片集成度的日益提高，對引線框架材料的導電性、導熱性和強度等提出了更高的要求。隨著鐵路電氣化和高速化進程加快，對接觸網導線的強度和力學性能也提出了新的要求。因此，外學者對高強高導銅及銅合金開展了廣泛的研究，并開發出了Cu-Ag合金、Cu-Cr-Zr合金以及Mo-Cu復合材料、碳化鈮增強Cu復合材料等一系列合金及其復合材料。雖然這些材料可以滿足部分領域對高強高導的要求，但是其制備成本和工藝的復雜性等制約了進一步的發展和應用。因此，進一步開發性能優良、成本低、工藝簡單的高強高導銅合金仍然是目前研究的熱點之一。石墨烯、碳納米管等新型石墨同素異形體材料具有極高的強度和導電性能，人們希望通過石墨烯或者碳納米管與銅復合的方式制備出擁有超高電導率和強度的復合材料，但這些復合材料的制備方法大都集中在粉末冶金和熱壓燒結領域，這導致其致密性低，電導率無明顯提高甚至會降低等缺點。2010年JasonShugart和Roger Scherer提出了一種新型金屬納米復合材料——納米碳銅基復合材料。這種復合材料的制備方法如下：將銅塊放在石墨坩堝中，并通過感應加熱熔化，再在銅熔體中添加活性炭或者其他納米碳材料并充分攪拌均勻，將碳素體電極插入熔體中并通入足夠電流，促進納米碳與金屬晶格相互作用形成納米碳銅基復合材料。利用該方法制備的納米碳銅基復合材料雖然能大大提高銅中碳的含量，但由于最終凝固組織中仍然存在孔隙，因此，該方法制備的納米碳銅基復合材料的性能相較純銅未有明顯提升。上述方法既要感應加熱，還需攪拌和通入電流等復雜操作，且最終制備試樣的凝固組織還存在孔洞等缺陷對性能提升不利，此外還無法實現此類復合材料的長尺寸規模化制備。為克服以上缺點，如何快速凝固結合連鑄技術，制備長尺寸納米碳銅基復合材料，成為亟待解決的技術問題。

發明內容

為解決現有技術問題，本發明的目的在于克服納米碳銅基復合材料制備過程中需要感應加熱、機械攪拌、利用碳素體電極通入銅熔體中施加電流等復雜操作帶來的問題，進而克服所制備材料存在孔隙等問題，提供一種快速凝固制備長尺寸納米碳銅基復合材料的方法、其應用及裝置，實現快速制備高質量納米碳銅基復合材料，大大降低了操作的復雜性，提高生產效率。

為達到上述發明目的，本發明采用下述技術方案：

一種快速凝固連續化制備長尺寸納米碳銅基復合材料的方法，包括如下步驟：

步驟1：采用熔煉爐，在高真空熔煉爐腔室中的水冷銅盤上放置一個石墨坩堝，將待熔化的銅料放入石墨坩堝中，設置鎢電極作為對銅料進行加熱的裝置，并在石墨坩堝底部插入引錠銅桿，在石墨坩堝下方的結晶器下部的外側，設置感應線圈裝置，感應線圈裝置的線圈對結晶器內金屬液和石墨坩堝的金屬液流出段通過的金屬液施加驅動金屬液被動流動的動能，使感應線圈裝置與鎢電極組成電磁攪拌裝置，從而形成一體化熔鑄裝置；

步驟2：關閉熔煉爐，并抽真空至氣壓不高于4×10^-4Pa；然后開啟熔煉爐電源，對鎢電極通入高電流，通過高電流所激發的電弧，熔化石墨坩堝中的銅料形成銅熔體，同時激發石墨坩堝中的碳原子以熱擴散的形式進入銅熔體中，形成碳-銅混合的金屬溶液；