一种高强度和高导电率铜母排的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及导电铜母排，具体地说是一种高强度和高导电率铜母排的制备方法。
【背景技术】
[0002]铜因导电等性能优异而被广泛的应用于电气电子工业中。但纯铜硬度、抗拉强度、抗蠕变性能均较低，热稳定性也较差，难以满足电气电子工业某些条件下对其强度的要求。传统强化铜的方法，如细晶强化、固溶强化等，在提高铜强度的同时也增加了晶界、位错、第二相等缺陷，从而使电子的散射增加，严重降低了材料的导电性。可以说，铜材料的强度与导电性存在此消彼长的矛盾。中国科学研宄院沈阳金属所卢柯等人(Lu L, Shen YF，Chen X H et al.Ultrahigh strength and high electrical conductivity in copper.Science, 2004，304(5669):422-426.)利用电沉积技术制备出晶粒尺寸为30nm的纳米铜材料，在其晶粒内部存在高密度不同取向的孪晶片层结构，纳米孪晶界可有效限制位错的运动，且其对电子的散射作用很低。但目前该技术还只能制得纳米级纯铜薄膜或小量的块状纳米孪晶材料，并不适合于工业化生产。因此，如何实现兼具高强度和高导电率的纳米孪晶铜母排的批量化制备是目前主要的技术瓶颈。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是根据现有技术的不足提供一种高强度和高导电率铜母排的制备方法，用本发明的方法可以制备得到不仅强度高，而且导电率也很高的铜母排。
[0004]本发明是通过如下技术方案实现的:一种高强度和高导电率铜母排的制备方法，该方法是先通过脉冲电沉积方法制备得到纳米孪晶铜条坯料，然后将纳米孪晶铜条坯料通过挤压扩展成形得到所述高强度和高导电率铜母排，其特征在于:所述电沉积方法中的阳极为铜板，阴极为栅孔状不锈钢板，所述栅孔状不锈钢板的孔隙率为30-60%。
[0005]优选的，所述电沉积方法制备铜母排的过程中，脉冲电流的电流密度为60-120A/
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[0006]优选的，所述电沉积方法中的电解液中添加了浓度为0.3-0.5mg/L的碳纳米管或稀土元素Ce。
[0007]优选的，所述电解液的pH值为1-2。
[0008]优选的，所述纳米孪晶铜条坯料的横截面为矩形。
[0009]优选的，所述挤压扩展成形是指，先将纳米孪晶铜条坯料通过进料口进入挤压轮的轮槽内，在压实轮作用下充满轮槽内部，随后进入腔体，并经过模具后挤出。
[0010]本发明提出了以栅孔状不锈钢板作为脉冲电沉积过程中的阴极，它促进了电解液的充分对流和扩散，保证了纳米孪晶铜材料的沉积效率和沉积质量。同时，还可以得到横截面为矩形的纳米孪晶铜条坯料，从而便于后续的挤压扩展成形，解决了纳米孪晶铜母排批量化生产的工艺障碍。并且，通过向电解液中添加碳纳米管、稀土元素Ce以提高纳米孪晶铜材料的组织结构稳定性，避免了铜母排在成形、焊接以及大电流冲击过程中由于温升而导致孪晶组织的动态回复，使用本发明方法制备得到的铜母排具有极好的机械性能，其室温抗拉强度超过900MPa，并且导电率几乎可以与常规纯铜母排产品相当。本发明方法简单，成本低，效果好，实用性强。
【附图说明】
[0011]图1为本发明的阴极栅孔状不锈钢板的结构示意图；
[0012]图2为本发明铜母排和现有铜母排的导电率及抗拉强度性能对比图；
[0013]1.栅孔、2.本发明铜母排的导电率、3.本发明铜母排的抗拉强度、4.现有技术铜母排的导电率、5.现有技术铜母排的抗拉强度。
【具体实施方式】
[0014]以下通过具体实施例来进一步说明本发明:
[0015]实施例1
[0016]采用脉冲电沉积技术制备横截面为矩形的条状纳米孪晶铜条坯料。电解液为CuSO4溶液，其中铜离子浓度约为100g/L，添加的稀土元素Ce含量为0.3mg/L，溶液的pH值控制在1-2。阴极为如图1所示的栅孔状不锈钢板，孔隙率为50%，阳极是纯度为99.99%的纯铜板。脉冲电流密度为80A/cm2，在电沉积过程中，通过外循环的方式强制电解液流动，并保证电沉积温度的恒定。再将制备得到的纳米孪晶铜条坯料通过挤压扩展成形制备出所需规格尺寸的铜母排产品。所述挤压扩展成形是指，先将纳米孪晶铜条坯料通过进料口进入挤压轮的轮槽内，在压实轮作用下充满轮槽内部，随后进入腔体，并经过模具后挤出得到的铜母排规格为40mm*4mm。
[0017]采用双电桥法对纳米孪晶铜母排进行直流电阻测试，经换算后，纳米孪晶铜母排20°C下的导电率达到97% IACS。同时，从纳米孪晶铜母排上截取拉伸试样，在万能试验机上进行拉伸试验，每组试样测3根，取平均值。将所得结果与常规纯铜母排的性能进行对比，如图2所示。与现有铜母排相比，本发明制备的纳米孪晶铜母排导电率下降幅度很小，但机械性能获得大幅提高，其抗拉强度超过900MPa。
[0018]实施例2
[0019]与实施例1不同之处在于:电解液中加入了碳纳米管作为纳米孪晶铜材料中的稳定性，其浓度约为0.5mg/L。脉冲电流密度为60A/cm2。阴极栅孔状不锈钢板的孔隙率为30%。纳米孪晶铜条还料通过挤压扩展成形，制备出规格尺寸为40mm*4mm的铜母排产品，其抗拉强度约为920MPa，室温导电率接近98% IACS。
[0020]实施例3
[0021]与实施例1不同之处在于:电解液中加入了碳纳米管作为纳米孪晶铜材料中的稳定性，其浓度约为0.4mg/L。脉冲电流密度为120A/cm2。阴极栅孔状不锈钢板的孔隙率为60%。纳米孪晶铜条还料通过挤压扩展成形，制备出规格尺寸为30mm*4_的铜母排产品，其抗拉强度约为923MPa，室温导电率接近97% IACS。
【主权项】
1.一种高强度和高导电率铜母排的制备方法，该方法是先通过脉冲电沉积方法制备得到纳米孪晶铜条坯料，然后将纳米孪晶铜条坯料通过挤压扩展成形得到所述高强度和高导电率铜母排，其特征在于:所述电沉积方法中的阳极为铜板，阴极为栅孔状不锈钢板，所述栅孔状不锈钢板的孔隙率为30-60%。
2.根据权利要求1所述高强度和高导电率铜母排的制备方法，其特征在于:所述电沉积方法制备铜母排的过程中，脉冲电流的电流密度为60-120A/cm2。
3.根据权利要求1所述高强度和高导电率铜母排的制备方法，其特征在于:所述电沉积方法中的电解液中添加了浓度为0.3-0.5mg/L的碳纳米管或稀土元素Ce。
4.根据权利要求3所述高强度和高导电率铜母排的制备方法，其特征在于:所述电解液的PH值为1-2。
5.根据权利要求1所述高强度和高导电率铜母排的制备方法，其特征在于:所述纳米孪晶铜条坯料的横截面为矩形。
6.根据权利要求1所述高强度和高导电率铜母排的制备方法，其特征在于:所述挤压扩展成形是指，先将纳米孪晶铜条坯料通过进料口进入挤压轮的轮槽内，在压实轮作用下充满轮槽内部，随后进入腔体，并经过模具后挤出。
【专利摘要】本发明提供了一种高强度和高导电率铜母排的制备方法，该方法是先通过脉冲电沉积方法制备得到纳米孪晶铜条坯料，然后将纳米孪晶铜条坯料通过挤压扩展成形得到所述高强度和高导电率铜母排，其特征在于：所述电沉积方法中的阳极为铜板，阴极为栅孔状不锈钢板，所述栅孔状不锈钢板的孔隙率为30-60％。本发明提出了以栅孔状不锈钢板作为脉冲电沉积过程中的阴极，并且，通过向电解液中添加碳纳米管、稀土元素Ce以提高纳米孪晶铜材料的组织结构稳定性，避免了铜母排在成形、焊接以及大电流冲击过程中由于温升而导致孪晶组织的动态回复，使用本发明方法植被得到的铜母排具有高强度和高导电率。本发明方法简单，成本低，效果好，实用性强。
【IPC分类】C25D7-00, C25D5-18, C25D3-38
【公开号】CN104805483
【申请号】CN201510250056
【发明人】王利民, 何卫, 姚辉, 廖晶, 陈思敏
【申请人】国家电网公司, 国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年5月15日