一种Cu-Ti3AlC2复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及金属基复合材料技术领域，具体是一种cu-ti3alc2复合材料及其制备方法。

背景技术：

现代工业的自动控制系统和电器装置中都大量使用继电器、导电滑环、电刷及电位器等电接触元件，这些元件在电能输送、电信号传递，或者接通/切断电路过程中起着重要作用，它们的性能将直接影响电器、仪表和总体电路的稳定性、精确性、可靠性和使用寿命。金属cu由于具有良好的导电性能和导热性能而广泛用于电力传输系统中；然而由于其强度比较差，硬度不够高，故该材料应用于电接触元件场合时会受到一定的限制。

ti3alc2材料兼具金属和陶瓷的特性，具有良好的导电、导热、抗高温氧化和抗电弧烧蚀性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种cu-ti3alc2复合材料及其制备方法，采用初压-烧结-复压工艺步骤将ti3alc2加入到cu基体中，制备一种导电、导热性能优良的cu-ti3alc2复合材料，提高金属cu的硬度和强度的同时，尽可能高的保持材料的导电、导热性能，以满足现代工业电接触元件的应用。

为解决上述技术问题，本发明提供一种cu-ti3alc2复合材料，以金属铜粉为基体相，以陶瓷相ti3alc2为增强相，金属铜粉在复合材料中的体积百分数为60％；所述的cu-ti3alc2复合材料由金属铜粉和ti3alc2粉末经初压-烧结-复压制备而成。

本发明的cu-ti3alc2复合材料与单纯的金属铜相比，在提高金属铜的强度和硬度的同时，尽可能高的保持金属铜的良好导电导热性能；而且cu-ti3alc2复合材料具有低的摩擦系数(0.2～0.3)和抗粒子(离子、中子和电子)辐照性能，在经过粒子辐照后，cu-ti3alc2复合材料的晶体结构没有发生非晶转变，依然保持完美的晶体结构；cu-ti3alc2复合材料还具有较强的耐电弧烧蚀性能，在经过3～10kv电弧烧蚀后，电弧的寿命在28ms左右，烧蚀斑点在烧蚀表面均匀分布，未发生集中烧蚀的现象。本技术将cu-ti3alc2复合材料粗品经过500mpa压力复压，增加了cu-ti3alc2复合材料的致密性，提高复合材料的导电性和力学性能。

为解决上述技术问题，本发明还提供了这种cu-ti3alc2复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)金属铜粉的还原：将金属铜粉在还原气氛下进行预还原，获得还原铜粉；

(2)ti3alc2粉末的获得：将ti3alc2颗粒研磨至粒径为5～10μm的ti3alc2粉末；

(3)混料：按金属铜粉在复合材料中的体积百分数为60％将还原铜粉和ti3alc2粉末混合均匀，获得混料；

(4)粉末压制：将步骤(3)的混料加入钢模具中，在压片机上对钢模具施加300mpa压力，压制成胚体；

(5)烧结：在管式炉中对步骤(4)压制的胚体进行烧结，保护气氛为氢气，烧结温度820℃，保温1.5h，冷却至室温，获得cu-ti3alc2复合材料粗品；

(6)复压：将步骤(5)的cu-ti3alc2复合材料粗品放入钢模具中，在压片机上对钢模具施加500mpa压力，压制得到致密的cu-ti3alc2复合材料。

本发明采用初压-烧结-复压的工艺步骤，利用氢气作为保护气氛，在制备出cu-ti3alc2复合材料后又经过复压，增加了cu-ti3alc2复合材料的致密性，使cu-ti3alc2复合材料的电阻率下降为15.6×10^-8ω·m，硬度提高到110hbs，抗弯强度提高到331mpa，能够满足现代工业电接触元件的应用。

附图说明

图1是光学显微镜下cu-ti3alc2复合材料的照片。

图2是cu-ti3alc2复合材料的x射线衍射图。

具体实施方式

一种cu-ti3alc2复合材料，以金属铜粉为基体相，以陶瓷相ti3alc2为增强相，金属铜粉在复合材料中的体积百分数为60％；所述的cu-ti3alc2复合材料由金属铜粉和ti3alc2粉末经初压-烧结-复压工艺步骤制备而成。

其制备方法，包括以下步骤：

(1)金属铜粉的还原：将金属铜粉在还原气氛下进行预还原，获得还原铜粉；

(2)ti3alc2粉末的获得：将ti3alc2颗粒研磨至粒径为5～10μm的ti3alc2粉末；

(3)混料：按金属铜粉在复合材料中的体积百分数为60％将还原铜粉和ti3alc2粉末混合均匀，获得混料；

(4)粉末压制：将步骤(3)的混料加入钢模具中，在压片机上对钢模具施加300mpa压力，压制成胚体；

(5)烧结：在管式炉中对步骤(4)压制的胚体进行烧结，保护气氛为氢气，烧结温度820℃，保温1.5h，冷却至室温，获得cu-ti3alc2复合材料粗品；

(6)复压：将步骤(5)的cu-ti3alc2复合材料粗品放入钢模具中，在压片机上对钢模具施加500mpa压力，压制得到致密的cu-ti3alc2复合材料。

光学显微镜和xrd分析，电阻率、抗弯强度和硬度的测试，具体步骤为：

将制备的cu-ti3alc2复合材料切割成36mm×4mm×3mm的小块，分别使用200目、400目、600目和800目的砂纸打磨样品，在打磨的过程中，同一目数的砂纸，保证前一次的磨痕和后面一次的磨痕成90°角，且每次的磨痕要相互平行，才能换方向打磨，砂纸越细，磨样品时所用的力要越小，防止增强相颗粒在打磨的时候掉落，打磨过的样品放在抛光机上抛光2min，将抛光好的样品放在光学显微镜下观察其组织。

金相组织结果见图1所示，从图中可以看出深灰色的ti3alc2相均匀的分布于浅灰色的铜基体上。

xrd分析：设置xrd的仪器参数为：电压30kv，电流40ma，2θ范围是30°～80°，扫描结果见图2所示，从曲线中可以看出烧结后的产物只有ti3alc2和金属铜两相，没有其它相，证明在热压烧结的过程中没有杂质相生成。

选用上述供试样品三个，采用双臂电桥法测试其电阻率，每个供试样品测试三遍，取平均数，测得cu-ti3alc2的电阻率为15.6×10^-8ω·m。

选用上述供试样品三个，采用三点弯曲实验测试三个供试样品的弯曲强度，测试结果cu-ti3alc2的平均弯曲强度为331mpa；采用布氏硬度测试方法在同一供试样品上选取三个临近的点测量其硬度，并取平均值，测得供试样品的硬度为110hbs。

从上述实验结果可以看出，本实施例的cu-ti3alc2复合材料在烧结的过程中，ti3alc2没有发生分解，材料中只有金属铜和陶瓷ti3alc2两相；而且与金属铜相比，具有较高的强度和较大的硬度(纯铜在退火状态下硬度为35～45hbs)。

技术特征：

技术总结
本发明涉及金属基复合材料技术领域，具体是一种Cu‑Ti3AlC2复合材料及其制备方法，以金属铜粉为基体相，以陶瓷相Ti3AlC2为增强相，金属铜粉在复合材料中的体积百分数为60％；所述的Cu‑Ti3AlC2复合材料由金属铜粉和Ti3AlC2粉末经初压‑烧结‑复压工艺制备而成。本发明的Cu‑Ti3AlC2复合材料在提高金属Cu的硬度和强度的同时，尽可能高的保持材料的导电、导热性能，以满足现代工业电接触元件的应用。

技术研发人员：黄晓晨;秦英月;李良;吴中;王传虎;凤仪
受保护的技术使用者：蚌埠学院
技术研发日：2018.11.02
技术公布日：2019.01.11