利用熔渗工艺制备三维连续网络碳化铬铜复合材料的方法
【专利摘要】一种利用熔渗工艺制备三维连续网络Cr3C2-Cu复合材料的方法，步骤如下：将具有不同开孔结构的Cr3C2多孔陶瓷陶瓷前驱体浸入化学电镀铜溶液中进行常规电镀表面改性，表面改性后的陶瓷前驱体置于氧化铝坩埚中，陶瓷前驱体上放置铜块或铜粉，然后将坩埚置于真空管式炉中进行熔渗。熔渗过程是在氢气或氩气的保护环境中进行的，在温度1200℃左右加热5小时，即可得到三维连续网络结构的Cr3C2-Cu金属陶瓷。本发明利用常压熔渗的方法，通过多孔陶瓷预制体的制备和选择，可制备具有多种铜含量和不同晶体尺寸的三维连续网络结构Cr3C2-Cu金属陶瓷，比传统方法简单，技术难度低，成本低，综合力学性能。
【专利说明】利用熔渗工艺制备三维连续网络碳化铬铜复合材料的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及三维连续网络复合材料的制备方法，特别是三维连续网络碳化铬-铜陶瓷金属的制备方法。
【背景技术】
[0002]三维连续网络结构复合材料是近十几年来国内外材料研宄工作者越来越重视的新研宄领域。这种复合材料的各组分相具有各自的三维空间连续网络结构，每一种组成相的特性能够被保留，从而为获得具有多功能，综合性能优异的复合材料提供了可能。利用多孔陶瓷和金属合成三维连续网络结构陶瓷/金属复合材料(Interpenetrating NetworkMetal-Ceramic Composites)，其中的陶瓷相可以提高材料的耐磨性、耐热性、耐蚀性和强度，并可以降低热膨胀系数和密度，而金属相可以改进材料的韧性和导电性等。
[0003]这种新型陶瓷/金属复合材料的研宄目前在国内外均尚处起步阶段，目前研宄的制备方法主要为以下两类:1.原位反应法，通过原位化学反应直接合成微结构连接的复合材料。在这类方法中，复合材料组成相的一部分或全部在浸渍过程中由液态金属与增强相发生原位反应或自身分解生成，其特点是反应生成相与复合材料其它相的相容性好，界面结合稳定。2.多孔陶瓷预制体浸渗法，制造孔隙连通的预制体，然后进行浸渗并凝固成型。
[0004]目前制备三维连续网络结构陶瓷/金属复合材料的常用方法是多孔陶瓷预制体浸渗法。美国Lanxide公司最先开展无压浸渗工艺的研宄，其无压浸渗工艺称为PR MEX工艺。该工艺的特点是浸渍过程不需要外加压力，在预制件孔隙毛细管力的作用下，熔融金属自发地浸入预制件中。Gonzalez通过控制气氛中的氧分压成功地实现了 Cu对A1203 预制件的无压浸渗。Dachn.G.S[Dachn G S, BreslinM C.Co-continuous compositematerials for frict1n and braking applicat1ns.Journal of the Minerals Metalsand Materials Society, 2006, 58(11):87?92.]等研宄表明:通过二氧化娃先驱体陶瓷在液相铝中的反应生成氧化铝复合材料的原位反应浸渗法可制备陶瓷和金属两相交织连通的复合材料。通过控制先驱体的成分和微观结构，以及反应池中的组分，可以获得可控的材料结构和性能。济南大学耿浩然等[耿浩然，王守仁，崔峰.网状结构Si3N4陶瓷增强金属基复合材料的研宄.功能材料信息，2005，2(4):71?76.]利用泡沫塑料先驱体挂浆成型法制备了 Si3N4网络陶瓷预制体，再利用压力+负压的共同作用成功制备出Si3N4/Al合金复合材料。中国科学院金属研宄所邢宏伟等[邢宏伟，曹小明，胡宛平，等.三维网络SiC/Cu金属基复合材料的凝固显微组织.材料研宄学报，2004, 18(6):597?605.]在1200°C、50MPa的条件下，通过挤压浸渗制得三维连续网络结构SiC/Cu合金和SiC/Al合金复合材料。三维网络SiC的体积分数分别为10%、20%、30%。骨架网孔的平均孔径为
1.0mm。尽管如此，目前新型三维连续网络结构Cr3C2-Cu复合材料还极少有人研宄，其制备工艺也未得到开发和探索。Cr3C2-Cu复合材料具有良好的导电性，耐蚀性和较优异的综合力学性能。本文主要发明了利用熔渗工艺常压渗透制备新型三维连续网络结构Cr3C2-Cu金属陶瓷的新工艺和方法。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是利用具有不同孔隙率和平均孔隙尺寸的开孔碳化铬陶瓷为前驱体，提供了一种新的制备三维连续网络结构Cr3C2_Cu金属陶瓷的方法。
[0006]本发明的技术方案为:利用熔渗工艺制备三维连续网络结构Cr3C2_C金属陶瓷的新方法，首先需制备具有不同孔隙率和平均孔隙尺寸的开孔碳化铬陶瓷前驱体，该工艺参考专利《一种利用反应烧结工艺制备多孔碳化铬的方法》，将开孔碳化铬陶瓷前驱体浸入化学电镀铜溶液中进行电镀表面改性。再将铜块或铜粉置于表面改性过的陶瓷前驱体上，放入真空管式炉进行熔渗处理，即可得到三维连续网络结构Cr3C2-Cu金属陶瓷。熔渗过程必须在充满还原或惰性保护气氛的环境中进行。具体步骤如下:
[0007]步骤1.陶瓷前驱体表面改性:
[0008]陶瓷前驱体是具有开孔结构的Cr3C2多孔陶瓷。将陶瓷前驱体浸入化学电镀铜溶液中进行常规电镀，电镀液配方为:240g/L CuS04，60g/L H2S04, 50ppm HC1, 5ml/LPEG-400, 0.2g/L SOS。恒流源直流电压20V，电流0.01-0.1A。电镀时间:l_10h。
[0009]步骤2.金属陶瓷的制备:
[0010]将步骤1表面改性过陶瓷前驱体置于氧化铝坩祸中，陶瓷前驱体上放置铜块或铜粉，然后将坩祸置于真空管式炉中进行熔渗。熔渗过程是在流量为10-30ml/min的氢气或氩气环境中进行的，在温度1100-1250°C加热5小时，即可得到三维连续网络结构的Cr3C2-Cu金属陶瓷，其组织结构如图3所示。为防止高温下材料的氧化，升温前需进行排除空气处理，降温过程中需继续通入氢气或氩气保护。
[0011]进一步，所述步骤1中的陶瓷前驱体孔隙率为57.1% -63.7%，平均孔隙尺寸为0.8-3.5 微米。
[0012]进一步，所述步骤1中的电镀电流为0.01-0.1A，相应电镀时间为10h-lh。
[0013]本发明和现有技术相比所具有的优点在于:
[0014](1)本发明通过常压熔渗的方法，能得到具有三维连续网络结构Cr3C2_Cu金属陶瓷块体材料，比传统方法简单，技术难度低，成本低。
[0015](2)通过多孔陶瓷预制体的制备和选择，可制备具有多种铜含量和晶体尺寸的三维连续网络结构Cr3C2-Cu金属陶瓷，对复合材料的微观结构和综合力学性能具有较强的可操作和可控性。
[0016](3)通过多孔陶瓷预制体的电镀表面改性，能极大地改善金属陶瓷两相的润湿和结合，显著提高了材料的综合力学性能。
[0017](4)本发明的思想对制备三维连续网络结构复合材料工艺的发展有启发意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1本发明利用熔渗工艺制备三维连续网络Cr3C2_Cu金属陶瓷的方法的工艺流程图。
[0019]图2为本发明利用熔渗工艺制备三维连续网络Cr3C2_Cu金属陶瓷的熔渗示意图。
[0020]图中:1.管式高温烧结炉，2.氧化铝干锅，3.陶瓷预制体，4.铜块或铜粉。
[0021]图3为扫描电镜下三维连续网络Cr3C2_Cu金属陶瓷的组织形貌。
[0022]图中:(a)63.7 % Cr3C2+36.3 % Cu (b) 60.1 % Cr3C2+39.9 % Cu (c) 57.1 %Cr3C2+42.9% Cu
【具体实施方式】
[0023]下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
[0024]实施例1:
[0025]步骤1.陶瓷前驱体表面改性:
[0026]陶瓷前驱体是具有开孔结构的Cr3C2多孔陶瓷。其孔隙率为63.7%，平均孔隙尺寸为1.3微米。将陶瓷前驱体浸入化学电镀铜溶液中进行常规电镀，电镀液配方为:240g/L CuS04，60g/L H2S04, 50ppm HC1, 5ml/L PEG-400, 0.2g/L SOS。恒流源直流电压 20V，电流0.0lAo电镀时间:10ho
[0027]步骤2.金属陶瓷的制备:
[0028]将步骤1表面改性过陶瓷前驱体置于氧化铝坩祸中，陶瓷前驱体上放置铜块或铜粉，然后将坩祸置于真空管式炉中进行熔渗。熔渗过程是在流量为10-30ml/min的氢气或氩气环境中进行的，在温度1200°C加热5小时，即可得到三维连续网络结构的Cr3C2-Cu金属陶瓷，其组织结构如图3(a)所示。为防止高温下材料的氧化，升温前需进行排除空气处理，降温过程中需继续通入氢气或氩气保护。
[0029]实施例2:
[0030]步骤1.陶瓷前驱体表面改性:
[0031]陶瓷前驱体是具有开孔结构的Cr3C2多孔陶瓷。其孔隙率为60.1%，平均孔隙尺寸为2.5微米。将陶瓷前驱体浸入化学电镀铜溶液中进行常规电镀，电镀液配方为:240g/L CuS04，60g/L H2S04, 50ppm HC1, 5ml/L PEG-400, 0.2g/L SOS。恒流源直流电压 20V，电流0.05Ao电镀时间:2h。
[0032]步骤2.金属陶瓷的制备:
[0033]将步骤1表面改性过陶瓷前驱体置于氧化铝坩祸中，陶瓷前驱体上放置铜块或铜粉，然后将坩祸置于真空管式炉中进行熔渗。熔渗过程是在流量为10-30ml/min的氢气或氩气环境中进行的，在温度1200°C加热5小时，即可得到三维连续网络结构的Cr3C2-Cu金属陶瓷，其组织结构如图3(b)所示。为防止高温下材料的氧化，升温前需进行排除空气处理，降温过程中需继续通入氢气或氩气保护。
[0034]实施例3:
[0035]步骤1.陶瓷前驱体表面改性:
[0036]陶瓷前驱体是具有开孔结构的Cr3C2多孔陶瓷。其孔隙率为57.1%，平均孔隙尺寸为3.5微米。将陶瓷前驱体浸入化学电镀铜溶液中进行常规电镀，电镀液配方为:240g/L CuS04，60g/L H2S04, 50ppm HC1, 5ml/L PEG-400, 0.2g/L SOS。恒流源直流电压 20V，电流0.1A。电镀时间:lho
[0037]步骤2.金属陶瓷的制备:
[0038]将步骤1表面改性过陶瓷前驱体置于氧化铝坩祸中，陶瓷前驱体上放置铜块或铜粉，然后将坩祸置于真空管式炉中进行熔渗。熔渗过程是在流量为10-30ml/min的氢气或氩气环境中进行的，在温度1200°C加热5小时，即可得到三维连续网络结构的Cr3C2-Cu金属陶瓷，其组织结构如图3(c)所示。为防止高温下材料的氧化，升温前需进行排除空气处理，降温过程中需继续通入氢气或氩气保护。
【权利要求】
1.利用熔渗工艺制备三维连续网络碳化铬铜复合材料的方法，其特 征在于具体制备步骤如下: 步骤(I).陶瓷前驱体表面改性: 陶瓷前驱体是具有开孔结构的Cr3C2多孔陶瓷；将陶瓷前驱体浸入化学电镀铜溶液中进行常规电镀，电镀液配方为:240g/L CuS04, 60g/L H2S04, 50ppm HCl, 5ml/LPEG-400, 0.2g/L SOS ;恒流源直流电压20V，电流0.01-0.1A ;电镀时间:l-10h ； 步骤(2).金属陶瓷的制备: 将步骤(I)表面改性过的陶瓷前驱体置于氧化铝坩祸中，陶瓷前驱体上放置铜块或铜粉，然后将坩祸置于真空管式炉中进行熔渗；熔渗过程是在流量为10-30ml/min的氢气或氩气环境中进行的，在温度1100-1250°C加热5小时，即可得到三维连续网络结构的Cr3C2-Cu金属陶瓷；为防止高温下材料的氧化，升温前需进行排除空气处理，降温过程中需继续通入氢气或氩气保护。
2.根据权利要求1所述利用熔渗工艺制备三维连续网络碳化铬铜复合材料的方法，其特征在于，所述步骤(I)中的陶瓷前驱体孔隙率为57.1%-63.7%，平均孔隙尺寸为0.8-3.5 微米。
3.根据权利要求1所述利用熔渗工艺制备三维连续网络碳化铬铜复合材料的方法，其特征在于，所述步骤(I)中的电镀电流为0.01-0.1A，相应电镀时间为10h-lh。
【文档编号】B22D23/04GK104451237SQ201410645772
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月14日 优先权日:2014年11月14日
【发明者】高克玮, 张雷, 陈卫星, 庞晓露 申请人:北京科技大学