一種三維連通網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的鉬銅復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于材料制備領(lǐng)域，具體設(shè)及一種Ξ維連通網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的鋼銅復(fù)合材料及其 制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋼銅復(fù)合材料綜合了鋼的高強(qiáng)度、高烙點(diǎn)W及銅的優(yōu)良的初性、高熱、電導(dǎo)率，具 有耐高溫、抗燒蝕、高導(dǎo)熱導(dǎo)電率和較低的熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)。在工業(yè)上廣泛應(yīng)用于電子封 裝、真空電子器件及導(dǎo)彈藥罩，飛機(jī)喉襯等軍工部件中。特別是其密度比與之功能和性質(zhì)相 近的鶴銅復(fù)合材料更小，更符合航空航天等特殊領(lǐng)域的要求。隨著高能電子器件的發(fā)展，對(duì) 電子封裝材料的熱導(dǎo)率及電導(dǎo)率的要求越來(lái)越高，運(yùn)就需要鋼銅復(fù)合材料中銅含量越來(lái)越 高。然而對(duì)于一般離散型結(jié)構(gòu)的鋼銅復(fù)合材料而言，銅含量的增加則導(dǎo)致熱脹系數(shù)的增加 及材料強(qiáng)度的降低，運(yùn)限制了材料在高能電子器件及導(dǎo)彈等軍工領(lǐng)域的使用。隨著對(duì)鋼銅 復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)，近年又出現(xiàn)了鋼/銅/鋼層狀結(jié)構(gòu)的鋼銅復(fù)合材料（如專利CN 1843691Α， 公開(kāi)日2006.10.11 )，及纖維結(jié)構(gòu)鋼銅復(fù)合材料(專利CN 103451579，公開(kāi)日2013.12.18)。 前者具有較好的熱、電性能，而后者致密性良好，但運(yùn)兩者均具有很強(qiáng)的各向異性。
[0003] 目前鋼銅復(fù)合材料主要采用混粉燒結(jié)法和普通烙滲法。普通烙滲法是將鋼粉壓制 燒結(jié)形成一定孔隙的鋼骨架而后進(jìn)行烙滲;混粉燒結(jié)法是將鋼粉和銅粉進(jìn)行混合，再進(jìn)行 液相燒結(jié)。運(yùn)兩種方法都能獲得致密性較好的鋼銅復(fù)合材料，但鋼相和銅相分布均較分散， 限制了鋼銅兩相各自性能的發(fā)揮。此外由于鋼粉直接壓制成型所獲的孔隙率有限，而混粉 燒結(jié)中若銅含量較高則很難獲得致密性較佳的樣品，因此運(yùn)兩種方法都難W制備較高銅含 量的樣品，運(yùn)在一定程度上限制了鋼銅復(fù)合材料在大功率電子器件及其他對(duì)導(dǎo)熱導(dǎo)電要求 較高領(lǐng)域的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種Ξ維連通網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的鋼銅復(fù)合材料及其 制備方法。該方法制備出的鋼銅復(fù)合材料兼?zhèn)鋵訝顝?fù)合材料及Ξ維立體材料的優(yōu)點(diǎn)，兩相 各成系統(tǒng)又相互纏繞且相互連通。并且可W根據(jù)實(shí)際需要通過(guò)調(diào)整技術(shù)參數(shù)獲得所需性能 的鋼銅復(fù)合材料。本發(fā)明所提供材料的制備方法簡(jiǎn)單，參數(shù)調(diào)節(jié)方便，可制備較高銅含量的 鋼銅復(fù)合材料，熱力學(xué)性能良好。
[0005] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是：
[0006] -種Ξ維連通網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的鋼銅復(fù)合材料，鋼相和銅相各成獨(dú)立系統(tǒng)又相互纏繞且 相互連通，任一截面均為網(wǎng)狀鋼層包圍銅區(qū)的結(jié)構(gòu)。
[0007] 上述的Ξ維連通網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的鋼銅復(fù)合材料的制備方法，先利用造孔劑將鋼粉制備 成多孔鋼生巧，然后與銅進(jìn)行烙滲得到Ξ維連通網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的鋼銅復(fù)合材料。
[000引進(jìn)一步地，所述的多孔鋼生巧，其制備包括混料、壓制和溶解。
[0009] 進(jìn)一步地，所述的造孔劑百分比與銅含量的關(guān)系滿足:CGu = Czk+(l-Czk)*10%，式 中，Ccu為鋼銅復(fù)合材料中銅的百分含量，Czk為多孔鋼生巧所需造孔劑百分比；所述鋼粉質(zhì) 量與造孔劑百分比關(guān)系為:MM〇 = R*S*(l-Czk)*PM。，所述造孔劑質(zhì)量與造孔劑百分比關(guān)系為： Mc = S*R*Czk*化，R為所選造孔劑的直徑，S為所用模具橫截面積，Czk為所需造孔劑百分比，PM。 為鋼粉密度，化為造孔劑密度;所述的造孔劑優(yōu)選尿素。
[0010] 進(jìn)一步地，所述的混料為根據(jù)換算關(guān)系式計(jì)算并稱取鋼粉與造孔劑的質(zhì)量，然后 將稱取的鋼粉與造孔劑依次裝入模具，用模具桿輕壓尿素，使其嵌入鋼粉中，重復(fù)上述混料 過(guò)程4~8次。
[0011] 進(jìn)一步地，所述的壓制為將混料完畢的模具在液壓機(jī)上于200~500M化壓制成巧。
[0012] 進(jìn)一步地，所述的溶解為將所得生巧放入50~80°C熱水中浸泡2~化W去除生巧 中的尿素。
[0013] 進(jìn)一步，所述的烙滲，條件為無(wú)壓真空，溫度為1200~1400°C，時(shí)間為2~5小時(shí)。
[0014] 進(jìn)一步地，所述的烙滲前還包括干燥或燒結(jié)，所述的干燥，溫度為200~300°C，時(shí) 間為2~5小時(shí);所述的燒結(jié)，溫度為1400~1600°C，時(shí)間為2~4小時(shí)。
[0015] 作為優(yōu)選地，本發(fā)明的Ξ維連通網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鋼銅復(fù)合材料的的制備方法，包括W下 步驟：
[0016] (1)根據(jù)Ccu = Czk+ (1 -Czk) * 10 %、Mm。= R*S* (1 -Czk) *PM〇及Me = S*R*Czk*化計(jì)算并稱 取鋼粉與尿素的質(zhì)量，其中R=1.2mm，S = 153.9mm2，pM〇 = i〇.2ig/cm3,pc=l .335g/cm3;
[0017] (2)依次將鋼粉、尿素裝入模具，重復(fù)混料直至達(dá)到所需高度；
[0018] (3)混料完畢后于液壓機(jī)下300MPa壓制成型，60°C熱水中溶解2小時(shí)，250°C干燥3 小時(shí)，獲得連通結(jié)構(gòu)多孔鋼；
[0019] (4)將銅塊置于多孔鋼上方，用石墨紙包好，置于相蝸中于真空爐中1250°C無(wú)壓烙 滲3小時(shí)；
[0020] (5)烙滲結(jié)束后打磨去除表面剩余的少許銅，即得到Ξ維連通網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的鋼銅復(fù) 合材料。
[0021] 本發(fā)明的Ξ維貫通自連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鋼銅復(fù)合材料，通過(guò)制備出孔隙可控立體通孔 多孔鋼體，燒結(jié)后進(jìn)行無(wú)壓烙滲，獲得鋼相與銅相各自連通且相互纏繞的鋼銅復(fù)合材料。Ξ 維連通網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鋼銅復(fù)合材料的特征在于:鋼相和銅相相互貫通且各自連續(xù)形成一個(gè)獨(dú)立 的系統(tǒng)，且兩相相互纏繞、相互連通。橫截面既可是一定厚度的鋼層包圍著一定直徑的銅區(qū) 結(jié)構(gòu)，也可是一定厚度的銅層包圍著一定直徑的鋼區(qū)結(jié)構(gòu)，運(yùn)種結(jié)構(gòu)有效的降低了材料的 熱脹系數(shù)，同時(shí)保證了良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能。復(fù)合材料的鋼、銅含量及厚度可通過(guò)調(diào)整多孔 鋼骨架制備過(guò)程中尿素的添加量及尺寸來(lái)控制。通過(guò)控制燒結(jié)溫度，鋼區(qū)中也可存在著許 多分散的細(xì)小銅組織，運(yùn)增加了鋼區(qū)的初性同時(shí)有利于熱、電的傳導(dǎo)。該區(qū)域分散的銅組織 為烙融銅填充鋼顆粒間隙的微小孔桐而形成。
[0022] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0023] 1)本發(fā)明的Ξ維貫通自連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鋼銅復(fù)合材料，宏觀上Ξ維連通的鋼相與Ξ 維連通的銅相相互纏繞、相互連通，且具有良好的各向同性。
[0024] 2)本發(fā)明的Ξ維貫通自連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鋼銅復(fù)合材料，鋼相、銅相具有獨(dú)立而連續(xù) 的微觀結(jié)構(gòu)，其物理性能得W最大的發(fā)揮。鋼相、銅相的纏繞連通結(jié)構(gòu)有利于熱、電的傳導(dǎo)。
[0025] 3)本發(fā)明的Ξ維貫通自連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鋼銅復(fù)合材料，鋼、銅兩相形成互鎖結(jié)構(gòu)，降 低了材料的熱膨脹系數(shù)同時(shí)又保證了良好的熱、電傳輸性能。拓寬了高銅含量鋼銅復(fù)合材 料在電子封裝及軍工領(lǐng)域中的應(yīng)用。
[0026] 4)本發(fā)明的Ξ維貫通自連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鋼銅復(fù)合材料，鋼相內(nèi)含有的分散細(xì)小的銅 相增加了鋼骨架的初性，從而提高復(fù)合材料的初性，同時(shí)有利于熱、電的傳導(dǎo)。
[0027] 5)本發(fā)明的Ξ維貫通自連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鋼銅復(fù)合材料可根據(jù)需要調(diào)整鋼、銅兩相的 含量及厚度，W獲得所需物理性能。且各相含量可調(diào)節(jié)范圍寬，可獲得較高銅含量的鋼銅復(fù) 合材料。
[0028] 6)本發(fā)明制備方法簡(jiǎn)單，操作方便，成本低廉，實(shí)用性強(qiáng)。
【附圖說(shuō)明】
[0029] 圖1為本發(fā)明的制備工藝流程框圖。
[0030] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1制備的Ξ維連通網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鋼銅復(fù)合材料截面低倍宏觀照片， 顯示了鋼相包圍著銅相，鋼銅兩相相互橋連。
[0031] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例1制備的Ξ維連通網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鋼銅復(fù)合材料鋼區(qū)光學(xué)顯微結(jié)構(gòu) 照片，顯示了該結(jié)構(gòu)中存在著許多細(xì)小的銅組織，保證了鋼區(qū)良好的初性及導(dǎo)電導(dǎo)熱能力。
[0032] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例1制備的Ξ維連通網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鋼銅復(fù)合材料鋼區(qū)背散射掃描圖， 顯示鋼被銅網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)包圍著，且孔隙很少，材料具有良好的致密性。
[0033] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例1制備的Ξ維連通網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鋼銅復(fù)合材料動(dòng)態(tài)壓縮后的界面 狀況，顯示即使受到?jīng)_擊載荷及大尺度變形，界面依然保持良好，未出現(xiàn)脫粘現(xiàn)象，標(biāo)明其 界面結(jié)合狀況良好，保證了熱、電的傳輸及良好的力學(xué)性能。
[0034] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例1至3制備的Ξ維連通網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鋼銅復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)壓