[發(fā)明專利]一種石墨烯形變Cu-Cr系原位復(fù)合材料的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110321987.7
• 申請(qǐng)日: 2021-03-25
• 公開（公告）號(hào): CN113073223B
• 公開（公告）日: 2022-03-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉克明;盛曉春;韓寧樂;赫廣雨;李沐林;張揚(yáng);付凱
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南昌工程學(xué)院
• 主分類號(hào): C22C1/10
• 分類號(hào): C22C1/10;C22C1/02;C22C9/00;C22F1/08
• 代理公司: 北京迎碩知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11512
• 代理人: 錢揚(yáng)保;張群峰

一種石墨烯形變Cu?Cr系原位復(fù)合材料的制備方法，其步驟如下：(1)采用行星球磨機(jī)在惰性氣氛保護(hù)下對(duì)石墨烯、鉻粉和銅粉進(jìn)行液氮低溫球磨，制備石墨烯形變Cu?Cr系原位復(fù)合材料所需的混合粉；(2)采用中頻感應(yīng)熔煉爐熔煉銅塊，待熔融后加入適量潤(rùn)濕劑和球磨混合粉，通過柱狀石墨模澆鑄石墨烯Cu?Cr系合金棒；(3)將澆鑄的石墨烯Cu?Cr系合金棒進(jìn)行熱軋和冷拔變形；(4)對(duì)最終冷拔變形的石墨烯形變Cu?Cr系原位復(fù)合材料進(jìn)行時(shí)效處理，制備綜合性能良好的大尺寸形變Cu?Cr系原位復(fù)合材料。本發(fā)明通過石墨烯的有效加入，可削除傳統(tǒng)原位復(fù)合材料制備過程中所需的中間熱處理工藝，大幅增加最終材料的使用尺寸。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于有色金屬材料制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種綜合性能良好的大尺寸形變Cu-Cr系原位復(fù)合材料的制備方法。

背景技術(shù)

形變銅基原位復(fù)合材料是在高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型高強(qiáng)高導(dǎo)電銅基復(fù)合材料。其主要是通過大塑性變形，使銅合金中的枝晶狀第二相在基體中形成定向排列的纖維，從而大幅提高材料的強(qiáng)度，并利用銅基體的定向通道提升材料的導(dǎo)電性能，因此具有高的強(qiáng)度和良好的電導(dǎo)率。這類材料中的溶質(zhì)元素含量通常較高，質(zhì)量百分比一般在5％以上，隨溶質(zhì)元素種類、含量及變形量的不同，材料的抗拉強(qiáng)度和電導(dǎo)率通常在500-2000MPa和50-90％IACS。這類復(fù)合材料的纖維組織是在材料制備過程中原位形成的，因此稱作形變銅基原位復(fù)合材料。

目前Cu-Nb、Cu-Ta、Cu-Ag、Cu-Fe及Cu-Cr等二元形變銅基原位復(fù)合材料具有較好的強(qiáng)度和電導(dǎo)率匹配。但Nb、Ta及Ag等都是貴金屬，而且Nb、Ta的熔點(diǎn)高，液態(tài)Cu和Nb、Ta存在較大的溶混間隙，從而大大限制了這類新材料的工業(yè)化生產(chǎn)和商業(yè)化應(yīng)用。盡管Fe具有材料來源廣、熔點(diǎn)相對(duì)較低、強(qiáng)化效果明顯等優(yōu)勢(shì)，但Fe在Cu基體中的高溫固溶度較高、低溫?cái)U(kuò)散速度慢，導(dǎo)致室溫下基體中Fe含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其平衡溶解度，嚴(yán)重降低Cu基體的電導(dǎo)率。因此，相對(duì)熔點(diǎn)較低、成本合理、固溶度小、自身強(qiáng)度較高的Cr是形變銅基原位復(fù)合材料極具前途的第二組元。

近年來，大規(guī)模集成電路、高速電氣化鐵路及高強(qiáng)磁場(chǎng)的快速發(fā)展對(duì)導(dǎo)電性銅基材料的綜合性能提出了更高要求。比如，大規(guī)模集成電路的引線框架，要保證其在承載時(shí)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，材料的抗拉強(qiáng)度和電導(dǎo)率必須分別達(dá)到或者大于600MPa和80％IACS；高速電氣化鐵路的高速、重載發(fā)展趨勢(shì)對(duì)接觸線的載流能力和運(yùn)行穩(wěn)定性提出了新要求，當(dāng)列車時(shí)速達(dá)到350Km/h時(shí)，接觸線材料的理想抗拉強(qiáng)度和電導(dǎo)率應(yīng)該達(dá)到600MPa和80％IACS以上；高強(qiáng)磁場(chǎng)的內(nèi)層線圈，需要材料有足夠的強(qiáng)度來承受高強(qiáng)磁場(chǎng)產(chǎn)生的巨大洛侖茲力，同時(shí)需要材料具有良好的電導(dǎo)率以降低線圈運(yùn)行過程中產(chǎn)生的焦耳熱，要獲得100T的脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)，通常要求材料的強(qiáng)度和電導(dǎo)率分別在1GPa和60％IACS以上。而高強(qiáng)高導(dǎo)Cu-Cr合金的強(qiáng)度通常在400-600MPa之間。因此，要滿足高新技術(shù)領(lǐng)域?qū)Ω邚?qiáng)高導(dǎo)性銅基材料的應(yīng)用需求，就必須研究和發(fā)展形變Cu-Cr系原位復(fù)合材料。

然而，形變Cu-Cr系原位復(fù)合材料的高強(qiáng)度是通過大塑性變形獲得的，要獲得抗拉強(qiáng)度約為1000MPa的形變Cu-Cr系原位復(fù)合材料，其冷變形應(yīng)變量通常要達(dá)到7甚至更高，根據(jù)冷變形應(yīng)變量η的定義：η＝ln(A₀/A_f)，其中：A₀為初始截面面積；A_f為變形后的終了截面面積，可知最終材料的截面面積僅為冷變形前材料截面面積的千分之一甚至更低，致使材料的使用尺寸通常在微-毫米級(jí)，限制了該類材料在一些高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。比如《中華人民共和國(guó)鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》中TB/T 2809－2005要求電氣化鐵道用銅及銅合金接觸線的直徑在10.80±1％-14.40±1％mm之間，TB/T 3111－2005要求大多數(shù)電氣化鐵道用銅及銅合金絞線的直徑在1-3mm之間；《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》中GB/T 20254.1－2006要求引線框架用銅及銅合金平帶的厚度在0.1-2.0mm之間，GB/T 20254.2－2006要求引線框架用銅及銅合金U型帶的邊部厚度在1.27-2.0mm之間。