[发明专利]一种<111>织构纳米孪晶Cu块体材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米结构金属材料领域，尤其是指高强度纳米孪晶结构铜材料及制备方法，具体地说是一种<111>织构纳米孪晶Cu块体材料及制备方法。

背景技术

铜是人类最早应用的金属，早在6000年前埃及人就使用铜器。铜具有许多优异的特性和奇妙的功能：导电、导热性好；在大气、海水和许多介质中抗腐蚀性好；有很好的塑性和耐磨性；具有良好的加工、铸造、焊接、易切削等工艺性能，是电力、电工、热工、化工、仪表、造船和机械制造等工业部门不可缺少金属材料。随着人类文明的发展不断开发出新的用途，以电气化和电子信息为特征的高度文明的社会为铜的应用开辟了更为广阔的前景。

工业应用中的金属材料往往要求其具有较高强度的同时具有较高的导电性。纯铜是一种高导电性材料且具有较好的变形能力，但其强度却比较低(小于100MPa)。为了改善铜材料的性能，往往需要添加一些危害较小的合金元素(如Al，Fe，Zn，Sn，Ni，Ag等)以提高其强度和硬度。但这些合金元素的加入往往会使铜的导电性大幅度下降，通过固溶强化生成铜合金可以使纯铜的强度提高23倍，然而其导电性能仅有纯铜的10％-40％；少量的Fe和Ni对Cu的磁性有影响；Cd，Zn，Sn，Pb等在高温高真空条件下易挥发，制造电子元器件受到限制。

在当代科学、机械制造和仪器仪表等领域往往要求铜材料具有高的综合性能和高可靠性。例如，在迅速发展的电力电子行业(如电子产品的插塞连接器等)、计算机行业、汽车工业、无线电通讯业(如锂电池阳极等)以及印刷业(如多层印制电路板和高密度印制电路板的制作等)等高技术产品中，对新型高性能铜材料的需求也越来越高，往往在要求铜材料具有高强度的同时具有高热稳定性、高导电性和塑性。

纳米结构材料是指其晶体区域(如纳米晶体材料)或其它特征长度的典型尺寸(如孪晶片层厚度)在纳米量级(至少在一维方向上)的单相或多相晶体材料。纳米结构材料的主要特点是特征尺寸极其细小，晶界所占体积百分数大，很大比例的原子处于晶界上。这使得纳米结构材料具有与常规粗晶材料显著不同的、独特的力学、电学、磁学、光学热学及化学等诸多方面的性能。

随着对纳米结构材料的深入了解，2000年H.Gleiter教授对广义纳米结构材料进行了具体的分类，根据其微观结构组元(晶界和晶粒)的化学成分和(形状)维数的不同，把具有纳米尺寸晶粒和界面的非聚合物纳米材料分为层状晶粒、杆状晶粒(层的厚度或杆的直径为纳米量级)，以及具有纳米尺寸等轴晶粒的纳米材料。

对一种材料来讲，它的极限强度就是其理论剪切强度，即在没有任何缺陷的单晶体材料中获得的强度值，但是对一种实际的材料来讲，其强度往往要比理论剪切强度低几个数量级，这是因为在实际的材料中材料表面或内部或多或少都存在一定数量的缺陷(例如位错)所致。在工程应用上，细化晶粒为强化材料的强度一种方法，这种方法是利用大量存在的晶界来限制或钉轧位错运动来提高材料的强度，可由著名的Hall-Petch关系(σ＝σ+kd^-1/2)来描述。然而，这种强化效果并不是随晶粒尺寸的减小无限制的递增，当晶粒尺寸减小到一定程度，尤其是达到纳米量级时，这种强化效应将不存在了。实验观察和计算机模拟工作都已表明，当材料的晶粒细化到纳米量级或者晶粒达到足够小的尺寸时，强化效果将减弱或者消失，继而会出现软化效应。这实际是由于当晶粒尺寸足够小时，即已经接近点阵中位错间的平衡距离，也就是这时晶粒内部仅能够容纳少量(甚至没有)位错。这种情况下晶界的运动能力(如晶界转动、滑动等)会大幅度提高，晶界运动会导致材料的强度降低。因此，对于纳米材料来讲，为了进一步提高其性能，必须同时限制阻碍位错运动和晶界运动。

孪晶是指两个晶体(或一个晶体的两部分)沿一个公共晶面(即特定取向关系)构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为″孪晶″，此公共晶面就称孪晶面。

如果孪晶界相对于孪晶面旋转一角度，即可得到另一种孪晶界，称之为“共格孪晶面”；而若孪晶界上只有部分原子为两部分晶体所共有，则此时的孪晶界称为“非共格孪晶面”。

发明内容

本发明的目的是提供一种<111>织构纳米孪晶Cu块体材料及制备方法，解决现有技术中铜材料存在的性能问题，获得的铜材料性能优良，具有高强度的同时，具有高热稳定性、高导电性和塑性。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：