[发明专利]一种氧化铝颗粒和晶须共增强铜基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种氧化铝颗粒和氧化铝晶须共增强的铜基复合材料，包括重量百分比的如下成分：氧化铝1‑4%、石墨粉末5~10%、镍2‑10%、铁2‑7%、锡2‑10%、铋2‑6%、氧化锆1‑5%、镧0‑0.5%、余量为铜；所述氧化铝包括氧化铝颗粒、改性氧化铝晶须；所述改性氧化铝晶须是将氧化铝晶须放入十二烷基硫酸钠水溶液处理得到氧化铝晶须。本发明所述铜基复合材料中，氧化铝晶须分散较好，杂质含量低，与氧化铝颗粒共同发挥增强作用，协同配合多种添加元素成分，显著提高了铜基复合材料的力学及耐摩擦磨损性能，同时兼具优异的强度和耐冲击性。本发明还公开了其制备方法。该方法工艺简单，易于生产，在要求高强度、高导热性和高耐磨性的材料领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种铜基复合材料，特别是一种Al₂O₃晶须、颗粒共增强铜基复合材料及其制备方法，属于复合材料技术领域。

背景技术

随着航空航天和电子电力工业的飞速发展，对铜基复合材料不仅要求具有良好的导电性、导热性、强度，而且还要具有较高的耐磨性和较低的热膨胀系数。传统的铜基复合材料越来越不能满足于此类性能要求，研究设计性能更优的铜基复合材料迫在眉睫。

陶瓷颗粒增强相Al₂O₃由于具有高熔点(2054℃)和高沸点(2980℃)，超高热稳定性以及机械强度，不仅可以提高铜基复合材料硬度，还可以降低铜基复合材料在接近熔点温度时晶粒长大率，因此被广泛地应用于电子、汽车、航空航天(火箭推进器及航空器发动机的零件)等工业领域。目前，三氧化铝陶瓷颗粒增强相在铝基和镁基复合材料中有所应用，但在铜基复合材料中还没有太多报道。

氧化铝晶须，又称蓝宝石晶须，具有高强度、高模量和高温稳定性的特点，可以增强金属和非金属材料，使得复合材料兼具高强度、低密度和耐高温的优点。研究表明，长为200μm，直径为3.5μm的氧化铝短纤维具有良好的性能，如抗拉强度为1000MPa，弹性模量为300GPa，维氏硬度为700HV，是一种优异的增强体材料。

目前关于三氧化铝弥散增强铜基复合材料的研究，大部分还处于理论研究阶段，以实验室小规模试制为主，难以将增强复合材料推广制备形成大规格、大体量的铜基复合材料。概括起来，最主要存在以下两种问题：一个是增强体与基体之间的润湿性导致的界面结合问题，另一个问题是纳米尺寸的氧化铝颗粒的团簇倾向。

现有技术研究表明，金属与陶瓷颗粒的润湿性可以通过以下方法进行改善。首先，也是最有效的提高陶瓷金属之间润湿性的方法，是表面涂层(表面改性)，其所用涂层材料包括Ni、Ti和其他合金元素。改性结果表明：陶瓷表面的金属涂层或经表面处理后可以提高固体的表面能，形成陶瓷/金属涂(镀)层/金属界面代替润湿和结合性不好的陶瓷/金属界面，从而提高了润湿性。通常陶瓷表面包覆处理有电镀、化学镀和真空处理(蒸发，溅射)。

但是，镍和铜可用电镀法在一些薄片上沉积，却无法在粉末，尤其是不导电的粉末上包覆。化学镀法在包覆了金属过程中引进了磷元素。合金元素(尤其是表面活性元素的加入)会显著影响液态金属与陶瓷的润湿性。

一方面，合金元素的加入会降低液态金属的表面张力和液-固界面能，从而降低润湿角，改善润湿性。另一方面。次活性元素都有在表面和界面富集的特性，它们的加入有时会对界面反应有所影响或直接参与界面反应，进而影响润湿过程。

所以，在金属基复合材料领域，如何制备出界面结合良好，性能优异的材料，仍然属于难以克服的技术难题，备受相关研究学者关注。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中存在的陶瓷氧化铝增强材料润湿性不佳，改性困难或者改性以后容易团聚而无法充分发挥性能优势的缺陷，提供一种全新的氧化铝颗粒和晶须共增强的铜基复合材料。

为了实现上述发明目的，本发明提供一种技术方案：