[发明专利]一种具有微观定向结构的铜钨复合材料及其制备方法

权利要求书

1.一种具有微观定向结构的铜钨复合材料，其特征在于，所述的复合材料由铜和钨组成，以质量百分数计，钨含量为30％～97％，其余为铜；所述的复合材料微观上具有定向结构，表现为铜和钨以片层形式沿特定方向相间排列，钨的片层厚度为0.2～80μm，片层间距为0.1～100μm；

所述的具有微观定向结构的铜钨复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(A)浆料配制：将钨粉体和添加剂加入水中并充分混合，得到均匀分散的水基浆料；

(B)冷冻铸造：利用冷冻铸造工艺处理浆料，使浆料中的水发生定向凝固，从而将钨粉体和添加剂排挤到冰层之间，使其定向排列形成微观片层结构；

(C)真空冷冻干燥：对凝固的浆料脱模后进行真空冷冻干燥处理，去除其含有的水分，得到具有微观定向的片层结构的多孔坯体；

(D)去有机质和烧结：利用高温处理去除坯体中含有的有机质，对去有机质后的坯体进行高温烧结，得到具有微观定向的片层结构的多孔钨骨架；

(E)骨架熔渗：高温下利用熔融的金属铜浸渗烧结后的钨骨架，以铜熔体填充钨骨架孔隙，凝固冷却后切除多余的铜，得到具有微观定向结构的铜钨复合材料；

所述的添加剂包括烧结助剂、有机粘结剂和分散剂，该烧结助剂为铜粉体，添加量为钨粉体质量的0～18％，铜粉体的添加在不引入杂质的前提下促进钨骨架的烧结；该有机粘结剂是羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇、聚乙二醇、蔗糖或瓜尔胶中的一种或一种以上，有机粘结剂的添加量为去离子水质量的0.5～15％；该分散剂是聚丙烯酸、聚乙烯亚胺、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠或DarvanCN中的一种或一种以上，分散剂的添加量为钨粉体质量的0～12％。

2.根据权利要求1所述的具有微观定向结构的铜钨复合材料，其特征在于，所述的复合材料具有各向异性的力学性能和功能特性，沿片层方向表现出最佳的硬度、强度和电导率，其沿片层方向的硬度为1～4GPa，电导率为15％～85％IACS，室温压缩强度为200～1500MPa，500℃高温条件下的压缩强度为120～800MPa。

3.根据权利要求1所述的具有微观定向结构的铜钨复合材料，其特征在于，所述的复合材料中的钨含量通过沿垂直于片层的方向压缩真空冷冻干燥后的坯体或烧结后的钨骨架加以控制，压缩变形量为0～90％，压缩变形量越大，最终制备得到的复合材料中的钨含量越高；坯体的压缩工艺为：用含有机质的溶液浸渗真空冷冻干燥后的坯体，坯体干燥后在其片层表面形成一层包覆的有机质，该含有机质的溶液为含质量分数为0.5～10％的聚甲基丙烯酸甲酯的丙酮溶液，然后沿垂直于片层的方向在有机质的软化温度以上压缩坯体；在对压缩后的钨骨架进行熔渗前，按照所述的步骤(D)的操作对压缩后的钨骨架进行二次烧结处理以提高钨骨架的强度。

4.根据权利要求1所述的具有微观定向结构的铜钨复合材料，其特征在于，所述的浆料混合工艺是搅拌、球磨或两者的结合，钨粉体、添加剂和水的质量比例范围为1：(0.001～0.5)：(0.1～8)；其中：搅拌速度为10～400rpm，搅拌时间大于0.2h；球磨速度为10～500rpm，球磨时间大于1h，磨球和浆料的质量比大于0.05。

5.根据权利要求1所述的具有微观定向结构的铜钨复合材料，其特征在于，所述的冷冻铸造工艺为：将浆料倒入模具中，通过对模具一端进行冷却，使得浆料中的水沿模具自底向上发生定向凝固，沿凝固方向生长的冰晶将浆料中的钨粉体和添加剂逐渐排挤到冰层之间，从而实现粉体的定向排列；模具的冷却通过将模具与一端浸于冷却剂中的铜板相连接实现，冷却剂为液氮或干冰。

6.根据权利要求1所述的具有微观定向结构的铜钨复合材料，其特征在于，所述的真空冷冻干燥工艺为：将凝固的浆料脱模后置于冷阱温度低于-30℃、真空度不超过10Pa的真空环境下，放置时间大于10h。