一种钛铜层状电极复合材料的快速制备方法与流程

本发明涉及的是一种复合材料的制备方法。具体地说是一种利用超声波快速固结成型技术制备钛铜层状电极复合材料的方法。

背景技术：

国内氯碱工业中，已由传统的石墨、含铅惰性阳极逐渐过渡到使用钛惰性阳极，极大突破了传统电极的发热、有害杂质多、强度小且不耐腐蚀造成使用寿命短的限制，大大促进了我国的氯碱工业的产量。但是钛惰性阳极具有一个很大的缺陷--电阻较大，制约了氯碱工业的进一步发展。

为了解决钛惰性阳极电阻系数较大的问题，人们采用复合材料的方法，将铜金属与钛金属进行复合制备出导电性良好的钛铜复合材料惰性阳极。该类型电极不仅具有钛的强度高、耐腐蚀、质量轻的特点，还结合了铜的良好的导电性、延展性等优势，使其成为一种新型的电解电极材料。钛(TA1)晶格类型是密排六方结构，熔点1677℃，线膨胀系数8.2×10^-6/K；铜(T2)的晶格类型是面心立方结构，熔点1084℃，线膨胀系数16.6×10^-6/K。两者在物理性能和化学性能有很大差异，属于有限固溶，连接性比较差，所以制备钛铜复合材料就成为了很关键的问题。国内外对钛铜复合材料的制备方法已经有了许多研究。目前较多采用的方法有爆炸复合法、扩散焊法等等。

Kahraman等人研究了铜/钛板材爆炸焊接，观察发现在接头处形成了细晶组织，使两种材料成功的复合在一起。然而，爆炸复合法操作难度大不易控制、生产效率低、不适合大批量生产、自动化连续生产，在生产和制备过程中，需要特殊的措施保护，会产生比较大的噪音和冲击，对环境的危害大，且产品中会产生微裂纹、夹杂、飞线等缺陷，严重影响材料的复合质量。

扩散焊接法是一种相对比较稳定容易控制的制备钛铜电极复合材料的方法。Jian Xu，Peixian Zhu等人采用真空热压(VHP)，将工业纯铜和TA2钛板进行复合，得到采用温度800℃，保温1h，压力10MPa，钛铜层状复合材料的导电性最好，能够制备出导电性很好的钛铜复合材料电极。但是反应时间长，能耗高，材料表面还需要经过相对复杂的去氧化膜、去油污处理，并且对设备要求也较高，成本比较大。

除此之外还有常用的挤压法等。现在已经应用的钛铜复合材料的制备方法都需要较高的温度，如果气体保护或真空隔绝设备不精密，钛金属在250℃开始吸收氢，400℃开始吸收氧，600℃开始吸收氮，吸收后连接部位就会脆化；相反，精密的设备就会提高成本。此外，高温情况下容易生成低熔点共晶体，热裂倾向较大，热应力较高，且能耗高，容易产生废渣废气。

因此，找到一种低温环保、快速节能、产品成品率高、精度精确、生产成本低的钛铜复合材料方法是生产发展所需要解决的技术难题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种低温环保、快速节能，成品率高、生产成本低、容易操作的钛铜层状电极复合材料的快速制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)按照自下向上依次为铜箔、铝箔与钛箔的顺序，将铜箔、铝箔与钛箔叠加构成单元体，将一个单元体放入超声波快速固结成型工作台上；

(2)将超声波快速固结成型工作台基板预热升温到50℃～200℃之间，开始进行固结制备形成金属箔材，所述固结制备的主要参数为：固结压力1～2352N、超声波振幅1～40μm、固结速度1～1800mm/s；

(3)再在金属箔材放置下一个单元体，采用与步骤(2)相同的参数进行固结制备形成金属箔材；

(4)重复步骤(3)至达到预定厚度后，铣削去除边角废料，得到钛铜层状电极复合材料。

在金属箔材与下一个单元体之间放置铝箔。

预先用酒精将钛箔、铜箔、铝箔表面油污洗净。

本发明找到了一种新型钛铜层状电极复合材料的快速固结成型制备方法。本发明所具有的进步和显著特点为：

(1)本发明制备钛铜层状电极复合材料所需的温度为50℃-200℃，避免了高温钛金属吸收气体形成缺陷；钛铜高温下容易形成低熔点共晶物的问题，节能环保。

(2)本发明以铝箔为中间过渡层，所采用材料均为商用材料，成本低，材料采购方便，而且界面结合强度可以达到241N。得到的钛铜层状电极复合材料之间的扩散非常薄，保持在2-4μm,甚至更少，可以避免硬脆有害的金属间化合物生成。

(3)本发明制备钛铜层状电极复合材料，无气体保护装置、真空隔绝设备，大气中可以进行加工，设备简单，设备成本低。

(4)本发明可以结合数控铣削加工中心，通过数据化处理，能够实现钛铜层状电极复合材料的增材制造(俗称3D打印)，可制备不同层厚比的钛铜层状电极复合材料。

(5)本发明制备钛铜层状电极复合材料，速度非常快，可以达到10mm/s,甚至更高，并且自动化程度较高，大大节约了时间、人力成本。

(6)本发明在一定程度上可以制备任意厚度的钛铜层状电极复合材料，单次可以达到25mm的宽度，成品率很高。还可以通过改变参数，利用不同厚度的原材料固结制备钛铜层状电极复合材料。

附图说明

图1为金属箔材排放示意图。“Ti层-Al层-Cu层”为一个单元，总共排放五个单元，钛层排放在上层。

图2a至图2b为钛铜层状电极复合材料的金相照片。钛、铜金属箔之间加入一层铝箔(厚度～0.015mm)作为中间过渡层。图2a为低倍数钛铜层状复合材料金相照片；图2b为高倍数的钛铜层状电极复合材料金相照片。

图3为金属箔材排放示意图。最上一层和最下一层排放Ti箔，中间排放六层Cu箔，两种箔材中间用Al箔过渡。

图4为钛铜层状电极复合材料铜与自身固结金相照片。

图5a至图5b为钛铜层状复合材料的金相照片。钛、铜金属箔之间加入两层铝箔作为中间过渡层。图5a为低倍数钛铜层状电极复合材料金相照片；图5b为高倍数的钛铜层状电极复合材料金相照片。

具体实施方式

以下通过具体的实施例对本发明的技术方案做详细描述，应理解的是，这些实施例是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，在本发明的构思前提下对本发明做简单改进，都属于本发明要求保护的范围。

实施例1

取出0.2mm的Ti箔、0.1mm的Cu箔和0.015mm的铝箔，用酒精简单擦洗表面，去除材料表面油污。以“Cu箔-Al箔-Ti箔”为一个单元，固结时Ti箔处于上层，制备包含有5个单元的样品，厚度为1.5mm(忽略铝层厚度)，图1为其示意图。

经过前期处理后，对材料进行超声波固结加工：在温度为170℃，采用2205N的固结压力，40μm振幅，10mm/s的固结速度，进行固结制备。通过加入铝层，不仅使铜钛的连接性提高，在一定程度上缓冲铜层，防止压力过大，将铜层压断。

本实施例制得的钛铜层状电极复合材料的金相照片如图2所示。可以看出界面的线焊接密度接近100％，变形程度较小，扩散层的厚度较小。

本发明所制备的复合材料具有优异的力学性能。其界面的结合强度能够达到241N。

实施例2

采取的原材料和处理方法不变，制备不同层厚比的钛铜层状电极复合材料。先固结一层钛金属箔材，采取的工艺参数为：固结压力为2000N,振幅改为35μm,固结速度为25mm/s；再固结六层铜金属箔材，在铜和钛箔材之间加入中间过渡层金属铝箔，采取的工艺参数为：固结压力为1764N,振幅改为30μm,固结速度为25mm/s；最后固结一层钛金属箔材，采取工艺参数与第一层相同，图3为其示意图。

本实施例制得的层状电极复合材料的金相照片(铜与自身固结)如图4所示。

实施例3

采取的原材料和处理原理不变。中间过渡层改为两层金属铝箔材，采取与实施例1相同的固结参数。本实施例制得的复合材料的金相照片如图5所示。