一种激光熔覆制备铜基纳米陶瓷纤维复合材料的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种激光熔覆制备铜基纳米陶瓷纤维复合材料的方法，属于铜基复合材料制备领域。
【背景技术】
[0002]铜及铜合金机械性能良好，且工艺性能优良，易于铸造、塑性加工等，更重要的是铜及铜合金有良好的耐蚀、导热、导电性能，所以它们能广泛应用于电子电气、机械制造等工业领域。但是，铜在室温强度、高温性能以及磨损性能诸多方面的不足限制了其更加广泛的应用。而随着现代航空航天、电子技术的快速发展，对铜的使用提出了更多更高的要求，尤其是良好的高温力学性能，并且要求材料有低的热膨胀系数和良好的摩擦磨损性能。高强高导电铜合金功能材料的研发有着很大的国内市场。电阻焊电极，缝焊的滚轮，集成电路引线框架也需要高强度高导电性的铜合金。近年来，随着电子技术、计算机和信息技术的迅猛发展，要求铜基材料不仅具有良好的导电性、导热性、弹性极限和韧性，而且还应有较好的耐磨性，较高的抗剪切强度，低的热膨胀系数和良好的加工性能、焊接性能等一系列优良性能，铜基复合材料是发展新型高强度高导电和高耐磨性合金的重要方向之一。目前制备铜基复合材料的方法有液态法、粉末冶金法和复合铸造法等，最常用的方法是液态法，但由于铜和大部分陶瓷增强颗粒的浸润性差，密度相差较大，采用液相法制备复合材料时容易产生增强物的聚集，导致第二相分布不均匀。因此在此基础上研究出一种以提高铜和陶瓷颗粒浸润性的方法制备铜基复合材料，在航空航天等领域具有和好的发展前景和社会价值。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题:针对铜和大部分陶瓷增强颗粒由于浸润性差，密度相差较大，采用液相法制备复合材料时容易产生增强物的聚集，导致第二相分布不均匀的弊端，提供了一种通过ZrOCl2制备陶瓷纤维，随后将陶瓷纤维置于敏化液中使其氧化，再对其活化后置于硫酸铜溶液中镀上一层铜，随后在激光融覆作用下，使铜基与陶瓷纤维充分结合，制备铜基纳米陶瓷纤维复合材料的方法。本方法制备复合材料时增强物的分散均匀，与铜浸润性好，所得产品抗拉强度高。
[0004]为解决上述技术问题，本发明采用如下所述的技术方案是:
(1)将ZrOCl2与去离子水按质量比1:15搅拌混合，制备得氧氯化锆溶液，随后按质量比1: 1，将氧氯化锆溶液和质量浓度为50%的硼酸溶液搅拌混合，同时通过醋酸溶液调节pH为2?4，在转速600?800r/min下搅拌混合2?3h，制备得陶瓷前驱体溶液；
(2)按质量比1:10，将聚山梨酯添加至陶瓷前驱体溶液中，再将其置于静电纺丝装置中，设置其电压为10?15kV，接受距离为15?20cm，加压并收集陶瓷初生纤维，随后将收集的陶瓷初生纤维置于1200?1300°C下进行高温裂解，同时通入氩气进行保护，待其裂解5?6h后，对其碾压并过筛，制备得120?150目的纳米陶瓷纤维，备用； (3)按质量比1:8，将氧化亚锡添加至质量浓度为70%的盐酸中，缓慢搅拌使其完全溶解，并形成澄清的氯化亚锡酸解液，随后再按质量比1:2，将澄清的氯化亚锡酸解液添加至去离子水中进行稀释，制备得陶瓷敏化液；
(4)按质量比1:10，将步骤(2)制备的纳米陶瓷纤维添加至上述制备的陶瓷敏化液中，每隔5s搅拌一次，使颗粒先悬浮再缓慢沉降，重复搅拌20?30min，待搅拌完成后，对其过滤并收集滤饼，随后用去离子水洗涤至pH为7.0，并置于75?80°C烘箱中干燥6?8h，制备得活化陶瓷纤维；
(5)按重量份数计，选取42?53份质量浓度为20%的硫酸铜溶液、20?25份乙二胺四乙酸、25?30份C4H4KNa和2?3份硬脂酸钙，使其搅拌混合并用质量浓度为20%的氢氧化钠溶液调节pH至12?13，制备得电镀铜液，随后按质量比1:5，将上述制备的活化陶瓷纤维添加至电镀铜液中，同时设置温度为60?62°C，装载量为6.7?9.8dm2/L，在600?800r/min下，电磁搅拌镀铜20?30min;
(6)待镀铜完成后，对其过滤并收集滤渣，用去离子水洗涤至pH为7.0，再置于60?80°C烘箱中干燥6?8h，制备得镀铜纳米陶瓷纤维，随后按质量比1:1，将镀铜纳米陶瓷纤维与电解铜粉搅拌混合制备得复合粉末，并置于不锈钢模具中，使其冷压成型，制备得铜基内层；
(7)待铜基内层制备完成后，将复合粉末经过气流喷射装置喷射至铜基内层四周，设置激光功率为1.6?2.2KW，光斑直径为5mm，扫描速度为3mm/s，接搭率为40%，瞄准聚焦光束，垂直射向复合粉末，在同轴通入氩气进行保护，待一次熔覆完成后，根据需要的厚度和大小进行重复激光熔覆，待重复熔覆完成后，使其静置冷却，并通氩气继续进行保护降温至20?30°C，即得铜基纳米陶瓷纤维复合材料。
[0005]本发明的应用方法:将铜基纳米陶瓷纤维复合材料放入进料机中，塑化1?2h，在挤压机中挤压成型，经吹胀、牵引后，置于切割机中切割，再经拼接、卷制、固化、脱模、涂装制成试件，测得所得试件抗拉强度为650?850MPa，导电率大于82%IACS，值得推广与使用。
[0006]本发明与其他方法相比，有益技术效果是:
(1)本发明制备方法简单，所用材料无毒、无污染，安全、环保；
(2)所得产品拉伸强度高，为650?850MPa，导电率大于82%IACS。
【具体实施方式】
[0007]首先将ZrOCl2与去离子水按质量比1:15搅拌混合，制备得氧氯化锆溶液，随后按质量比1:1，将氧氯化锆溶液和质量浓度为50%的硼酸溶液搅拌混合，同时通过醋酸溶液调节pH为2?4，在转速600?800r/min下搅拌混合2?3h，制备得陶瓷前驱体溶液;然后按质量比1:10，将聚山梨酯添加至陶瓷前驱体溶液中，再将其置于静电纺丝装置中，设置其电压为10?15kV，接受距离为15?20cm，加压并收集陶瓷初生纤维，随后将收集的陶瓷初生纤维置于1200?1300°C下进行高温裂解，同时通入氩气进行保护，待其裂解5?6h后，对其碾压并过筛，制备得120?150目的纳米陶瓷纤维，备用;再按质量比1:8，将氧化亚锡添加至质量浓度为70%的盐酸中，缓慢搅拌使其完全溶解，并形成澄清的氯化亚锡酸解液，随后再按质量比1: 2，将澄清的氯化亚锡酸解液添加至去离子水中进行稀释，制备得陶瓷敏化液;按质量比1:10，将备用的纳米陶瓷纤维添加至上述制备的陶瓷敏化液中，每隔5s搅拌一次，使颗粒先悬浮再缓慢沉降，重复搅拌20?30min，待搅拌完成后，对其过滤并收集滤饼，随后用去离子水洗涤至pH为7.0，并置于75?80°C烘箱中干燥6?8h，制备得活化陶瓷纤维;按重量份数计，选取42?53份质量浓度为20%的硫酸铜溶液、20?25份乙二胺四乙酸、25?30份C4H4KNa和2?3份硬脂酸钙，使其搅拌混合并用质量浓度为20%的氢氧化钠溶液调节pH至12?13，制备得电镀铜液，随后按质量比1:5，将上述制备的活化陶瓷纤维添加至电镀铜液中，同时设置温度为60?62°C，装载量为6.7?9.8dm2/L，在600?800r/min下，电磁搅拌镀铜20?30min;待镀铜完成后，对其过滤并收集滤渣，用去离子水洗涤至pH为7.0，再置于60?80°C烘箱中干燥6?8h，制备得镀铜纳米陶瓷纤维，随后按质量比1:1，将镀铜纳米陶瓷纤维与电解铜粉搅拌混合制备得复合粉末，并置于不锈钢模具中，使其冷压成型，制备得铜基内层；最后待铜基内层制备完成后，将复合粉末经过气流喷射装置喷射至铜基内层四周，设置激光功率为1.6?2.2KW，光斑直径为5mm，扫描速度为3mm/s，接搭率为40%，瞄准聚焦光束，垂直射向复合粉末，在同轴通入氩气进行保护，待一次熔覆完成后，根据需要的厚度和大小进行重复激光熔覆，待重复熔覆完成后，使其静置冷却，并通氩气继续进行保护降温至20?30°C，即得铜基纳米陶瓷纤维复合材料。
[0008]实例1
首先将ZrOCl2与去离子水按质量比1:15搅拌混合，制备得氧氯化锆溶液，随后按质量比1:1，将氧氯化锆溶液和质量浓度为50%的硼酸溶液搅拌混合，同时通过醋酸溶液调节pH为2，在转速600r/min下搅拌混合2h，制备得陶瓷前驱体溶液;然后按质量比1:10，将聚山梨酯添加至陶瓷前驱体溶液中，再将其置于静电纺丝装置中，设置其电压为10kV，接受距离为15cm，加压并收集陶瓷初生纤维，随后将收集的陶瓷初生纤维置于1200°C下进行高温裂解，同时通入氩气进行保护，待其裂解5h后，对其碾压并过筛，制备得120目的纳米陶瓷纤维，备用;再按质量比1:8，将氧化亚锡添加至质量浓度为70%的盐酸中，缓慢搅拌使其完全溶解，并形成澄清的氯化亚锡酸解液，随后再按质量比1:2，将澄清的氯化亚锡酸解液添加至去离子水中进行稀释，制备得陶瓷敏化液;按质量比1:10，将备用的纳米陶瓷纤维添加至上述制备的陶瓷敏化液中，每隔5s搅拌一次，使颗粒先悬浮再缓慢沉降，重复搅拌20min，待搅拌完成后，对其过滤并收集滤饼，随后用去离子水洗涤至pH为7.0，并置于75°C烘箱中干燥6h，制备得活化陶瓷纤维；按重量份数计，选取42份质量浓度为20%的硫酸铜溶液、25份乙二胺四乙酸、30份C4H4KNa和3份硬脂酸钙，使其搅拌混合并用质量浓度为20%的氢氧化钠溶液调节pH至12，制备得电镀铜液，随后按质量比1:5，将上述制备的活化陶瓷纤维添加至电镀铜液中，同时设置温度为60°C，装载量为6.7dm2/L，在600r/min下，电磁搅拌镀铜20min;待镀铜完成后，对其过滤并收集滤渣，用去离子水洗涤至pH为7.0，再置于60°C烘箱中干燥6h，制备得镀铜纳米陶瓷纤维，随后按质量比1:1，将镀铜纳米陶瓷纤维与电解铜粉搅拌混合制备得复合粉