一种金刚石/W-Cu复合材料的制备方法与流程

本发明涉及一种金刚石/w-cu复合材料的制备方法，属于金属基复合材料制备领域。

背景技术：

随着社会经济和科学技术的发展，能源问题与环境问题逐渐突出，核聚变能具有清洁安全、燃料丰富等优点，成为备受关注的新能源之一。在开发核聚变能的iter装置中，面向等离子材料需要承受由于等离子体的放电作用以及高粒子通量和中子负载的热作用所产生的高热量，而过高的热载荷将会导致面向等离子材料的高温失效。因此，必须选择一种热沉材料把热量及时、高效地传递出去，从而保证反应堆整体的正常运转。w具有高熔点、高密度、高强度和低热膨胀系数等特性，cu具有良好的导电导热性。w-cu复合材料可以综合w和cu的特性，具有较高的热导率、可调的热膨胀系数等优点，是目前应用于iter装置中较为理想的热沉材料。但是w-cu复合材料的热导率依然不高，仅为200w·m-¹·k^-1左右，进一步提高复合材料的热导率成为亟待解决的问题之一。在w-cu复合材料中掺杂元素可以改善w和cu之间的润湿性，从而提高w-cu复合材料的热导率。《镀膜碳纤维、碳化硅纤维与晶须增强钨铜复合材料的制备与研究》一文中在w-cu复合材料中添加镀钛c纤维，获得的w-cu复合材料致密度达98.5％，热导率为244w·m^-1·k^-1。李继文等在专利cn105238983b《一种稀土氧化物掺杂钨铜复合材料及其制备方法》中，通过向w-cu复合材料中掺杂稀土氧化物，提高了w-cu复合材料的致密度，使最终w-cu复合材料的导电导热性有所提高。但是复合材料热导率提高幅度有限，依然无法满足承受过高热载荷的面向等离子材料热量传输的要求。

金刚石的热导率高达2200w·m^-1·k^-1，同时具有低的热膨胀系数(0.86×10^-6/℃)和低的密度(3.52g·cm^-3)。张纯等首先将金刚石进行镀w处理，然后将镀w金刚石与cu粉混合，制备得到镀w金刚石/cu复合材料，其热导率高达721w·m^-1·k^-1(chunzhang,richuwang,zhiyongcai,etal.effectsofduallayercoatingsonmicrostructureandthermalconductivityofdiamond/cucompositespreparedbyvacuumhotpressing[j].surfaceandcoatingstechnology,2015,277:299-307.)。因此，将镀w金刚石与cu包w复合粉体混合，制备金刚石/w-cu复合材料，将有望进一步提高w-cu复合材料热导率，更好的满足面向第一壁材料对热量传输的要求。

技术实现要素：

本发明提供了一种金刚石/w-cu复合材料的制备方法，旨在改善w-cu复合材料的热量传输性能。

本发明为实现发明目的，采用如下技术方案：

一种金刚石/w-cu复合材料的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：

(1)将金刚石颗粒与w粉放入研钵中，并加入nacl和bac12混合盐，混合均匀，得混合物料；然后将所述混合物料在n2-h2混合气体保护下加热至900～1200℃，保温10～120min；所得产物冷却后，经清洗、烘干处理，得到表面镀w金刚石颗粒；

(2)称取硫酸铜cuso4·5h2o和2,2-联吡啶c10h8n2，加去离子水溶解，获得蓝色溶液；称取乙二胺四乙酸二钠c10h14n2na2o8·2h2o和氢氧化钠naoh，加去离子水溶解，获得透明溶液；将两种溶液混合并加入适量的甲醛hcho溶液，制得化学镀铜的镀液；

(3)将w粉加入到所述化学镀铜的镀液中，控制反应温度在30～80℃、ph值范围在11～13，待上层溶液变为澄清溶液后，反应结束，所得产物用去离子水多次清洗完全去除杂质，再经烘干、h2还原，得到cu包覆w复合粉末；

(4)在cu包覆w复合粉末中添加所述表面镀w金刚石颗粒，在v型混料机中混合6h，然后将所得复合粉末压制成生坯；

(5)将步骤(4)得到的生坯置于管式炉炉腔中，在h2保护下加热至1100～1300℃，保温60～240min，然后随炉冷却至室温，即得金刚石/w-cu复合材料。

进一步地，步骤(1)中所述金刚石颗粒的粒度为50～200μm，w粉的粒度为0.5～10μm；

进一步地，步骤(1)中，金刚石颗粒和w粉的质量比为5～20:1，nacl和bac12的质量比为1:2～20，金刚石和w粉的混合粉与nacl和bac12混合盐的质量比为1:1～2。

进一步地，步骤(2)所得化学镀铜的镀液中，cuso4·5h2o的浓度为10～40g/l，c10h8n2的浓度为0.01～0.05g/l，c10h14n2na2o8·2h2o的浓度为10～80g/l，hcho的浓度为10～40ml/l，naoh的初始浓度为13～15g/l；在步骤(3)的反应过程中，不断向溶液中滴加naoh，以维持溶液ph值在11～13。

进一步地，步骤(3)中所述h2还原的温度为300～400℃、保温时间为60～120min。

进一步地，步骤(3)所得cu包覆w复合粉末中cu的质量分数为10％～50％；

进一步地，步骤(4)中所添加的表面镀w金刚石颗粒的质量为最终复合材料质量的1％～20％；

进一步地，步骤(4)中所述压制的压力范围为500～1000mpa。

本发明的方法通过对金刚石进行盐浴镀w处理获得表面镀w金刚石颗粒，可以改善金刚石和cu之间的润湿性，增强界面结合，提高材料的致密度。w粉通过化学镀包覆上一层cu，通过烧结易形成连续铜网结构的w-cu复合材料，同时控制w粉与金刚石的进一步反应，降低界面热阻，提高材料的热导率。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明金刚石/w-cu复合材料，由cu包覆w粉末和镀w金刚石组成，将镀w金刚石添加入w-cu复合材料中，利用金刚石高的热导率，改善了w-cu复合材料的热量传输性能，同时，采用化学镀方法在w粉表面镀cu，能够使cu均匀地分布在w粉表面，避免了w粉和cu粉混料的不均匀，有利于提高复合材料的致密度，提高复合材料的综合性能。

2、本发明的方法操作简单、能耗少、成本低、生产效率高。

附图说明

图1是本发明实施例1制备得到的金刚石/w-cu复合材料的扫描电镜照片；

图2是本发明实施例1制备得到的添加镀w金刚石的w-cu复合材料的元素面扫描图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作详细说明，下述实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例一种金刚石/w-cu复合材料的制备方法，具体步骤如下：

(1)将质量比10:1的金刚石颗粒与w粉放入研钵中，并加入质量比1:10的nacl和bac12混合盐，均匀混合(金刚石颗粒和w粉的混合粉与nacl和bac12混合盐的质量比为1:1)，得混合物料；然后将混合物料置于微波炉中，在n2-h2混合气体(n2-h2体积比85:15)保护下，通过调节微波炉功率，以30℃/min升温速度加热到1150℃并保温20min；所得产物冷却后，经清洗、烘干处理，得到表面镀w金刚石颗粒；

(2)按化学计量比称取9.8g的硫酸铜(cuso4·5h2o)和0.02g的2,2-联吡啶(c10h8n2)，加250ml去离子水溶解，获得蓝色溶液；称取27g乙二胺四乙酸二钠(c10h14n2na2o8·2h2o)和7g氢氧化钠(naoh)，加250ml去离子水溶解，获得透明溶液；将两种溶液混合并加入20ml的甲醛(ch2o)溶液，制成化学镀铜的镀液；

(3)将5.83g的w粉加入到镀液中，控制反应温度为60℃、ph值为12.5，待上层溶液变为澄清溶液后，反应结束。所得产物用去离子水多次清洗完全去除杂质，经沉淀、60℃烘干、h2气氛下350℃还原120min，最终得到30％cu质量分数的cu包覆w复合粉末；

(4)在cu质量分数30％的cu包覆w复合粉末中，添加质量分数8％的表面镀w金刚石颗粒，在v型混料机中混料6h，然后在1000mpa下将复合粉末压制成尺寸为ф15mm×3mm的生坯；

(5)将步骤(4)得到的成形生坯置于管式炉炉腔中，在h2保护下加热至1200℃烧结保温120min后，随炉冷却至室温即得金刚石/w-cu复合材料。

图1是本实施例制备得到的金刚石/w-cu复合材料的扫描电镜图，从图中可以看出，w-cu复合材料形成连续的网状结构，与金刚石之间有较好的结合。有利于热量的传输，提高复合材料热导率。

图2是本实施例制备得到的金刚石/w-cu复合材料的元素面扫描图，从图中可以看出，cu元素均匀地分布在碳元素的右侧。w元素与c元素有部分重叠区域，说明金刚石表面的c原子发生了扩散，与w原子之间发生反应，形成了w的碳化物。该反应有利于改善金刚石和cu之间的界面结合，降低界面热阻，提高复合材料的热导率。

经测试，本实施例所得产物的致密度为95.79％，热导率为275w·m^-1·k^-1。

实施例2

本实施例一种金刚石/w-cu复合材料的制备方法，具体步骤如下：

(1)将质量比10:1的金刚石颗粒与w粉放入研钵中，并加入质量比1:10的nacl和bac12混合盐，均匀混合(金刚石颗粒和w粉的混合粉与nacl和bac12混合盐的质量比为1:1)，得混合物料；然后将混合物料置于微波炉中，在n2-h2混合气体(n2-h2体积比85:15)保护下，通过调节微波炉功率，以30℃/min升温速度加热到1150℃并保温20min；所得产物冷却后，经清洗、烘干处理，得到表面镀w金刚石颗粒；

(2)按化学计量比称取9.8g的硫酸铜(cuso4·5h2o)和0.02g的2,2-联吡啶(c10h8n2)，加250ml去离子水溶解，获得蓝色溶液；称取27g乙二胺四乙酸二钠(c10h14n2na2o8·2h2o)和7g氢氧化钠(naoh)，加250ml去离子水溶解，获得透明溶液；将两种溶液混合并加入20ml的甲醛(ch2o)溶液，制成化学镀铜的镀液；

(3)将5.83g的w粉加入到镀液中，控制反应温度为60℃和ph值为12.5，待上层溶液变为澄清溶液后，反应结束。所得产物用去离子水多次清洗完全去除杂质，经沉淀、60℃烘干、h2气氛下350℃还原120min，最终得到30％cu质量分数的cu包覆w复合粉末；

(4)在cu质量分数30％的cu包覆w复合粉末中，添加质量分数8％的表面镀w金刚石颗粒，在v型混料机中混料6h，然后在1000mpa下将复合粉末压制成尺寸为ф15mm×3mm的生坯；

(5)将步骤(4)得到的成形生坯置于管式炉炉腔中，在h2保护下加热至1300℃烧结保温120min后，随炉冷却至室温即得金刚石/w-cu复合材料。

经扫描电镜表征可知，本实施例制备得到的金刚石/w-cu复合材料，金刚石均匀得分布在w-cu复合材料中，铜形成连续的网状结构，与金刚石之间有较好的结合。有利于热量的传输，提高复合材料热导率。

经测试，本实施例所得产物的致密度为93.55％，热导率为239w·m^-1·k^-1。