专利名称：一种陶瓷与金属铜复合粉体材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种复合粉体材料的制备技术，特别涉及一类陶瓷粉体与金属铜粉复 合体材料的制备方法，属于复合粉体材料制备技术领域。
背景技术：
陶瓷颗粒由于其高硬度、高模量及其尺寸稳定性等优点，在材料设计中作为一种 增强相在金属基、树脂基复合材料方面都得到广泛的应用。单纯陶瓷粉体或是金属粉体已 形成巨大产业规模，其粒径从微米级发展到纳米级范围，但是陶瓷颗粒与所加入基体材料 体系之间润湿性能差，严重制约陶瓷粉体材料的应用。金属陶瓷粉体体系在材料中的加入除了能改善陶瓷与基体的润湿性外，还可以使 得整体材料既能实现陶瓷的高硬度、高模量及其尺寸稳定性又能实现金属良好的韧性和可 加工型，同时可以实现一些特殊的功能应用，如作为一些散热器件的封装材料及极端摩擦 条件下的导电材料等，其应用潜力还在继续扩大，在当前的研究与应用中仍然是一个热门 的领域。中国发明专利(专利号为ZL200510029905. 2)介绍了一种SiC颗粒表面化学镀铜 的方法，用硝酸对SiC进行粗化处理，用钨粉、双氧水、无水乙醇、冰乙酸等配置溶胶，然后 超声，干燥后用氢气还原得到表面镀铜的陶瓷颗粒；段志伟等在《材料保护》Vol. 40，No. 7 P45 P48，2007年发表的文章“纳米SiC表面化学镀铜研究”，介绍了在超声下对50nm的 SiC进行了化学镀铜，首先用氢氟酸等对陶瓷颗粒预处理，然后用PdCl2等对其进行敏化活 化处理，再用盐酸溶液解胶，之后在专门的化学镀液下进行化学镀铜。以上技术的不足是工序繁琐、成本高而且制备的粉体质量也不够稳定，很难实现 规模化生产，随着近代材料科技的发展，粉体材料的应用需求达到了空前的高度，但现有市 场粉体原料供应还多以单一的陶瓷粉体或单一的金属粉体形式出现。
发明内容
针对上述现有技术的不足和缺陷，本发明的目的旨在提供一种陶瓷与金属铜复合 粉体材料的制备方法，以简单的工艺过程在常压、低温(小于100°c )下可实现规模化低成 本地生产陶瓷与金属铜复合材料粉体。本发明的上述目的，其实现的技术方案是一种陶瓷与金属铜复合粉体材料的制备方法，其特征在于包括步骤1、根据陶瓷 与金属的成分比例称取陶瓷粉体，加入到去离子水中，实施机械搅拌并水浴加热至40 100°C，得到陶瓷在去离子水中的悬浮液A ；同时称取铜盐并量取氨水和去离子水，配置成 浓度0. lmol/L 0. 8mol/L的铜氨络合离子溶液B ；II、将铜氨络合离子溶液B加到温度升 至90以上的悬浮液A中，持续水浴保温的同时实施机械搅拌，得到铜氨络合溶液与陶瓷粉 体的悬浮液C，待温度保持至50 55°C之间后，加入与铜盐含量相对应的水合胼还原剂； III、将悬浮液C用去离子水反复洗涤、静置，经抽滤后再在150 400°C的真空烘箱中烘干。
进一步地，前述一种陶瓷与金属铜复合粉体材料的制备方法，步骤I中所述陶瓷 粉体为微米或纳米颗粒状的碳化硅、碳化钛、氮化硅、氮化铝、氮化硼中的一种，其颗粒粒径 为lOnm 300iim，所述陶瓷粉体与去离子水的质量体积比为1 5g/ml 1 20g/ml。而 且步骤I中用于配置得到铜氨络合离子溶液B的所述铜盐为铜的无机盐类水合物，至少包 括硫酸铜、硝酸铜或氯化铜的水合物中的一种或多种混合物。进一步地，前述一种陶瓷与金属铜复合粉体材料的制备方法，步骤II中所加入的 水合胼还原剂与铜盐的体积质量比为0. 1 lml/g 0.35 lml/g。进一步地，前述一种陶瓷与金属铜复合粉体材料的制备方法，步骤I和步骤II中 所需机械搅拌的速度为150r/min 800r/min。一种陶瓷与金属铜复合粉体材料，经步骤I、步骤II及步骤III制备得到的陶瓷与 金属铜复合包裹粉体中，金属铜的颗粒粒径为10 y m 280 y m,且离散分布于陶瓷颗粒表 面；或者金属铜的颗粒粒径为5nm 10 ym，且以一定厚度分布于陶瓷颗粒的外表面将其完
全包裹。本发明陶瓷与金属铜复合粉体材料制法的应用，较之于现有技术其优异性显著， 具体来看1、使用的原材料价格相对低廉，所需设备简单，工艺过程简单易操作，整个工艺运 行过程中的后续化学污水处理简单，制备的复合粉体材料成本低。2、制备所得的陶瓷_金属铜复合粉体材料既可作为金属基复合材料、树脂基复合 材料的增强相使用，也可以作为陶瓷基复合材料增韧相使用，从工艺角度来看，既可以用粉 末冶金工艺使用，也可以用液态搅拌等方法使用；制备的陶瓷_金属复合粉体在粒径上的 组合可以是微米_微米级，微米_纳米级、纳米_微米级或纳米_纳米级，从陶瓷与金属铜 的成分比例上来看，复合粉体中金属铜的含量可以从0 40%内任意变化，为此可以极大 的满足实际生产中的需要。3、本发明所制备的陶瓷_金属复合粉体可以直接经过氧化而得到陶瓷-金属氧化 铜复合粉体材料，从而更加扩大了该材料的应用范围。
图1是由本发明方法制备所得的陶瓷与金属铜复合粉体材料实例一的SEM照片；图2是由本发明方法制备所得的陶瓷与金属铜复合粉体材料实例二的SEM照片。
具体实施例方式本发明为克服现有技术工序繁琐、成本高而且制备的粉体质量也不够稳定，很难 实现规模化生产的不足。创新地提出了一种陶瓷与金属铜复合粉体材料的制备方法。总体 来看，该制备方法主要包括以下几个步骤I、根据陶瓷与金属成分比例称取一定量的陶瓷粉体，加入到一定量的去离子水 中，实施机械搅拌并水浴加热至一定温度，从而得到陶瓷在去离子水中的悬浮液A ；同时称 取一定量的铜的无机盐类水合物，再量取适量的氨水和去离子水，配置成一定浓度的铜氨 络合离子溶液B ；II、将铜氨络合离子溶液B加入悬浮液A，水浴加热，同时实施机械搅拌，得到铜氨
4络合离子溶液与陶瓷粉体的悬浮液C，待加热温度至一定温度后，缓慢加入水合胼等还原 剂，所需水合胼的量以加入的铜的无机盐类水合物的量为依据；III、将悬浮液C反复洗涤、静置，然后抽滤，再在150C 400°C的真空烘箱中烘干。上述总体概述的技术方案，进一步细化有以下诸多优选方案步骤I中陶瓷粉体种类有碳化硅、碳化钛、氮化硅、氮化铝等在100°C以下可以在 水中稳定存在硬质粉体颗粒，粒径为3nm 300 y m任意可用。并且该陶瓷粉体与去离子水 的比例为lg陶瓷粉体需去离子水为5mL 20mL，即陶瓷粉体与去离子水的质量体积比为 1 5g/ml 1 20g/ml。此外，步骤I中用于配置得到铜氨络合离子溶液B的所述铜盐为 铜的无机盐类水合物，至少包括硫酸铜、硝酸铜或氯化铜的水合物中的一种或多种混合物； 所配置的铜氨络合离子溶液B的浓度为0. lmol/L 0. 5mol/L。步骤II中所加入的水合胼还原剂与铜盐的体积质量比为0.1 lml/g 0.35 lml/g。而无论步骤I还是步骤II，其所用到的机械搅拌的速度可选范围为150r/min 800r/min。机械搅拌装置由电机带动搅拌桨搅拌，搅拌浆的尺寸为搅拌实施过程中使用容 器底部直径的四分之一。而经步骤I、步骤II及步骤III制备得到的陶瓷与金属铜复合包裹粉体中，金属 铜的颗粒粒径为10 y m 280 y m,且离散分布于陶瓷颗粒表面；或者金属铜的颗粒粒径为 5nm 10 y m，且以一定厚度分布于陶瓷颗粒的外表面将其完全包裹。以下通过多个实施例，具体介绍本发明制备方法的实施过程实施例一称取平均粒径为8 ii m碳化硅陶瓷粉体150g，量取去离子水900mL，将碳化硅置入 准备好的去离子水中，在水浴槽中加热并实施搅拌，得到悬浮液A，搅拌速度为200r/min ； 同时称取五水合硫酸铜化学试剂125g，加入去离子水1800mL，待硫酸铜完全溶解在去离子 水后，再加入氨水160mL，得到0. 25mol/L的铜氨络合离子溶液B ；待悬浮液A温度升至90°C 后将铜氨络合离子溶液B加入悬浮液A中，继续水浴加热，并实施机械搅拌，搅拌速度为 300r/min，待温度升至50°C后开始以点滴形式加入水合胼40mL，温度控制不超过60°C，待 水合胼加入完毕后继续搅拌30min，然后静置，将桶中上部清夜倒掉重新注入去离子水，如 此重复三次清洗作业，经过抽滤、真空烘箱烘干即得金属铜含量20%的微-纳米碳化硅-铜 复合粉体。其SEM照片如图1所示。实施例二称取平均粒径为28 iim氮化硅陶瓷粉体3kg，置于容积为60L的反应釜中，同时 加入去离子水14L，水浴加热并实施搅拌，得到悬浮液A，搅拌速度为550r/mmin ；称取五水 合硫酸铜化学试剂3kg，加入去离子水36L，待硫酸铜完全溶解在去离子水后，再加入氨水 3. 1L，得到0. 33mol/L的铜氨络合离子溶液B ；待悬浮液A温度升至100°C后将铜氨络合离 子溶液B加入悬浮液A中，继续水浴加热，并实施机械搅拌，搅拌速度为450r/min，待温度升 至55°C后开始以直径4mm的细管导入水合胼850mL，温度控制不超过70°C，待水合胼加入完 毕后继续搅拌50mmin，将反应釜中悬浮液C放出，然后在水槽中静置，将槽中上部清夜抽掉 重新注入去离子水，如此重复清洗三次，经过抽滤、真空烘箱烘干；得到金属铜含量30%的 微_微米氮化硅_铜复合粉体。其SEM照片如图2所示。
实施例三称取平均粒径为50nm碳化硅陶瓷粉体80g，量取去离子水500mL，将碳化硅置入 准备好的去离子水中，在水浴槽中加热并实施搅拌，得到悬浮液A，搅拌速度为200r/min ； 同时称取五水合硝酸铜化学试剂90g，加入去离子水800mL，待硫酸铜完全溶解在去离子水 后，再加入氨水60mL，得到0. 5mol/L的铜氨络合离子溶液B ；待悬浮液A温度升至90°C后 将铜氨络合离子溶液B加入悬浮液A中，继续水浴加热，并实施机械搅拌，搅拌速度为600r/ min，待温度升至53°C后开始以点滴形式加入水合胼20mL，温度控制不超过65°C，待水合 胼加入完毕后继续搅拌lOmmin，然后静置，将桶中上部清夜倒掉重新注入去离子水，如此 重复三次清洗作业，经过抽滤、真空烘箱烘干即得金属铜含量20%的完全纳米尺度的碳化 硅-铜复合粉体(未图示)。本发明制法工艺的选材上具有多样性，以上仅是本发明众多具体应用范例中的颇 具代表性的几个实施例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用同类原料的等效替 换或是相同原料比例上的差别，均落在本发明权利保护范围之内。
权利要求
一种陶瓷与金属铜复合粉体材料的制备方法，其特征在于包括步骤I、根据陶瓷与金属的成分比例称取陶瓷粉体，加入到去离子水中，实施机械搅拌并水浴加热至40～100℃，得到陶瓷在去离子水中的悬浮液A；同时称取铜盐并量取氨水和去离子水，配置成浓度0.1mol/L～0.8mol/L的铜氨络合离子溶液B；II、将铜氨络合离子溶液B加到温度升至90以上的悬浮液A中，持续水浴保温的同时实施机械搅拌，得到铜氨络合溶液与陶瓷粉体的悬浮液C，待温度保持至50～55℃之间后，加入与铜盐含量相对应的水合肼还原剂；III、将悬浮液C用去离子水反复洗涤、静置，经抽滤后再在150～400℃的真空烘箱中烘干。
2.根据权利要求1所述的一种陶瓷与金属铜复合粉体材料的制备方法，其特征在于 步骤I中所述陶瓷粉体为微米或纳米颗粒状的碳化硅、碳化钛、氮化硅、氮化铝、氮化硼中 的一种，其颗粒粒径为10nm 300 u m。
3.根据权利要求1所述的一种陶瓷与金属铜复合粉体材料的制备方法，其特征在于 步骤I中所述陶瓷粉体与去离子水的质量体积比为1 5g/ml 1 20g/ml。
4.根据权利要求1所述的一种陶瓷与金属铜复合粉体材料的制备方法，其特征在于 步骤I中用于配置得到铜氨络合离子溶液B的所述铜盐为铜的无机盐类水合物，至少包括 硫酸铜、硝酸铜或氯化铜的水合物。
5.根据权利要求1所述的一种陶瓷与金属铜复合粉体材料的制备方法，其特征在于 步骤II中所加入的水合胼还原剂与铜盐的体积质量比为0.1 lml/g 0.35 lml/g。
6.根据权利要求1所述的一种陶瓷与金属铜复合粉体材料的制备方法，其特征在于 步骤I和步骤II中所需机械搅拌的速度为150r/mmin 800r/mmin。
7.根据权利要求1所述的一种陶瓷与金属铜复合粉体材料的制备方法，其特征在于 经步骤I、步骤II及步骤III所制备的陶瓷与金属铜复合包裹粉体中，金属铜的颗粒粒径为 10um~ 280um ；且离散分布于陶瓷颗粒表面。
8.根据权利要求1所述的一种陶瓷与金属铜复合粉体材料的制备方法，其特征在于 经步骤I、步骤II及步骤III所制备的陶瓷与金属铜复合包裹粉体中，金属铜的颗粒粒径为 5nm 10 y m ；且以一定厚度分布于陶瓷颗粒的外表而将其完全包裹。
全文摘要
本发明公开了一种陶瓷与金属铜复合粉体材料的制备方法，在液相中对微米级或者是纳米级陶瓷粉体表面沉积或还原出金属颗粒或是具有一定厚度的金属薄层；其制备过程为I、称取一定量的陶瓷粉体，分散在去离子水中，对其进行机械搅拌、水浴加热至一定的温度，得体系A；同时称取一定量的铜的无机盐类水合物，并量取适量的氨水和去离子水，配置成一定浓度的铜氨络合离子溶液B；II、将B加入A中，并继续实施机械搅拌、水浴加热，加热至一定温度后开始加入水合肼等强还原剂，直至得到陶瓷与金属复合颗粒悬浮液C；III、再将悬浮液C抽滤、洗涤，并在真空烘箱中烘干。本发明制得的粉体产物不易团聚，陶瓷与金属成分比例及粒径大小可控，产品质量稳定。
文档编号B22F9/24GK101892472SQ20101022414
公开日2010年11月24日 申请日期2010年7月13日 优先权日2010年7月13日
发明者刘宁, 徐坤元, 李清文, 石锦罡, 陈名海 申请人:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所