[發明專利]一種原位反應制備銅基碳化鈦復合材料的方法

有效

• 申請號: 202111247289.3
• 申請日: 2021-10-26
• 公開（公告）號: CN113981263B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 郭磊;郭占成;楊洋
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C22C1/10
• 分類號: C22C1/10;C22C1/02;C22C9/00
• 代理公司: 北京東方盛凡知識產權代理事務所(普通合伙) 11562
• 代理人: 程小芳

本發明涉及金屬復合材料制備領域，具體涉及一種原位反應制備銅基碳化鈦復合材料的方法。具體包括，以銅塊與海綿鈦為原料熔融制備銅鈦合金，再通過銅鈦合金與石墨顆粒之間的原位反應得到銅基碳化鈦復合材料。本發明制備的銅基碳化鈦復合材料，擁有較為優異的物理性能：抗彎強度接近1100MPa、電導率為6.2×10⁶S/m，維氏硬度接近200HV。對比于高溫自蔓延法，基體與碳化鈦具有良好的界面結合能力，塊狀原料的使用能夠使本發明具有更低的生產成本，還具有更高的產品致密度；對比于外加法，省去了碳化鈦的外部生成步驟，大幅度降低了生產成本和生產難度，避免了雜質元素的引入。

技術領域

本發明涉及金屬復合材料制備領域，具體涉及一種原位反應制備銅基碳化鈦復合材料的方法。

背景技術

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，酸性環境中耐腐蝕，高熔點，好的熱穩定性，并且有接近金屬的電導率。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。

目前來說銅基碳化鈦復合材料的工業制備手段主要有以下兩種：

外加法：主要包括粉末冶金法、機械合金化法等。粉末冶金法主要是將銅粉末與碳化鈦顆粒粉末通過混勻、壓制、燒結一系列操作后，得到銅基碳化鈦復合材料；機械合金化法的流程是將銅粉與碳化鈦粉末混合，利用高能球磨機對金屬粉末與碳化鈦粉末不斷的作用，得到銅基碳化鈦復合材料粉末。外加強制法存在的弊端有兩點：一是長時間的燒結、研磨，極易引入N、O雜質破壞材料性能；二是碳化鈦與銅基體的界面結合效果差，得到的材料性能遠達不到預期。

原位自生法：高溫自蔓延合成法是原位自生成法的代表手段，它的具體手段是將電解銅粉、高純鈦粉、石墨粉壓塊后放在爐中加熱，直至整個樣品同時發生燃燒反應，該方法存在的問題有：產品的致密度低下、反應過程不可控、產品的性能不穩定、反應時溫度過高和粉末原料成本較高等缺點。

同時，上述方法均是以金屬粉體材料為原料進行銅基碳化鈦復合材料的制備，而根據市場調查，金屬粉末的價格遠高于塊狀金屬，比如氫化脫氫鈦粉價格約為海綿鈦價格的3倍，電解銅粉價格約為電解銅塊的4倍。若是對金屬粉料的尺寸和純度要求更高，這種價格差將會達到10倍以上。這極大的增加了銅基碳化鈦復合材料的制備成本。

基于上述內容，提供一種操作簡便、性能穩定，可以使用塊狀原料的銅基碳化鈦復合材料的制備方法顯得尤為必要。

發明內容

本發明的目的在于提供一種原位反應制備銅基碳化鈦復合材料的方法，以克服現有技術中制備銅基碳化鈦復合材料存在高成本、性能不穩定、易引入雜質等技術問題。

本發明的技術方案之一，一種原位反應制備銅基碳化鈦復合材料的方法，以電解銅塊與鈦源為原料熔融制備銅鈦合金液，再將銅鈦合金液與石墨原位反應得到銅基碳化鈦復合材料。

進一步地，所述鈦源純度99.5％以上，所述電解銅塊與鈦源的質量比為4-19，所述銅鈦合金中鈦元素與石墨中碳元素的摩爾比為1-1.6。

銅鈦比高于19會出現石墨與熔體未潤濕的情況，銅鈦比小于4時，會產生化學計量比為0.3左右的碳化鈦，并且由于碳化鈦體積分數過大影響鈦元素在合金熔體內部擴散，使復合材料中殘余鈦元素含量達到10wt％左右，影響復合材料韌性及導電性能。

進一步地，所述石墨粒徑150目-200目，其原因是石墨顆粒粒徑在200目以上，會出現石墨團聚現象；石墨顆粒粒徑在150目以下，會延長反應時間。銅鈦合金中鈦元素與石墨中碳元素的摩爾比為1-1.6：在1-1.6范圍內能夠使基體中的鈦元素限制在1wt％以下，增強復合材料韌性和電導率，超出這個范圍都會降低復合材料的性能。