CN108950289A - 一种具有微观定向结构的铜钨复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有微观定向结构的铜钨复合材料及其制备方法。该复合材料由质量分数为30％～97％的钨和铜组成，微观定向结构表现为钨和铜以片层形式沿特定方向相间排列。采用浆料配制、冷冻铸造、真空冷冻干燥、去有机质和烧结以及骨架熔渗的工艺流程制备具有微观定向结构的铜钨复合材料，并且材料中的钨含量可以通过对坯体或骨架沿垂直于片层的方向进行压缩处理加以控制。本发明的复合材料具有各向异性的力学性能和功能特性，特别是在沿片层方向上具有强度高、硬度大、导电和导热性能优良的特点以及优异的耐电弧烧蚀和抗电冲击性能。该复合材料有望用作电触头材料以显著提高其使用效果，延长使用寿命，减轻构件质量并降低能源损耗。

Description

一种具有微观定向结构的铜钨复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及铜钨复合材料领域，具体为一种主要用作电触头材料的具有微观定向结构的铜钨复合材料及其制备方法。

背景技术

电触头是负荷开关、断路器、仪器仪表中至关重要的接触元件，主要担负着电路的接通与断开以及负载电流的任务，其性能直接影响到电器仪表的质量及使用寿命。特别是，(特)高压输电等电力***能够为我国经济社会的发展提供基础和动力，而电触头的综合性能和可靠性直接影响到整个电力***的正常高效运行，因此对于保障国家的能源安全具有重要意义。电触头的性能主要取决于制备触头所用的材料。电触头材料在接通、负载以及断开等服役过程中所处的环境十分苛刻，受到电弧、热、力、摩擦以及气氛等共同作用，这对于电触头材料的综合性能提出严格的要求。理想的电触头材料至少应该满足以下性能要求：1)物理性能：高熔点以及良好的导电性、导热性和热稳定性；2)力学性能：高的硬度及室温与高温强度，良好的塑性、韧性以及耐磨损性能；3)电接触性能：良好的耐电弧烧蚀、抗熔焊和抗电冲击性能以及较低的接触电阻。

铜钨复合材料是由钨和铜组成的具有双相结构的金属材料，由于钨和铜的熔点相差很大并且互不相溶，所以两种金属相几乎都以单质的形式存在于复合材料中，这使得铜钨复合材料能够综合两种金属相的诸多性能优势，如钨的高熔点和热稳定性、高强度、低的热膨胀系数以及铜良好的导电性和导热性等，从而表现出较高的硬度及室温和高温强度、良好的导电与导热性以及优异的抗电弧烧蚀与抗熔焊等特性，因此作为电触头材料被广泛应用于高压输电等诸多领域。由于钨和铜的物性相差较大，采用传统的粉末冶金工艺制备铜钨复合材料在烧结时容易发生膨胀收缩不匹配等问题，因而难以烧结致密，微观缺陷多，从而影响复合材料的力学和导电导热性能。目前，铜钨复合材料应用最为广泛的制备工艺是熔渗法，即将钨粉体压制成的坯体在一定温度下进行烧结形成具有一定强度的多孔钨骨架，再将熔融的金属铜浸渗入钨骨架中，从而得到致密的铜钨复合材料。

中国专利(公开号CN102312146B)公开一种CuW70触头材料的制备方法，将一定比例的诱导铜粉加入到钨粉中混匀，利用冷等静压将混合粉体压制成坯体，随后经烧结骨架和熔渗铜相制备得到CuW70触头材料。利用该方法得到的铜钨复合材料两相分布均匀，从而具有良好的耐烧蚀性能。中国专利(CN106011510A)公开一种铜钨触头材料的制作方法，包括以下步骤：1)将钨粉、铜粉以及粘结剂混合均匀；2)将混合粉通过筛网过筛后进行分散晾晒；3)将晾晒后的混合粉倒入石墨模具中，利用SPS工艺在真空条件下加压烧结；4)利用SPS工艺在更高温度和真空压力条件下进行二次烧结；5)对二次烧结后的材料进行保温处理，得到铜钨触头材料。该制作方法可以缩短铜钨触头材料的生产周期。中国专利(公开号CN104795264A)公开一种高压开关用耐弧铜钨触头的制造方法，包括以下步骤：1)将钨粉放置于还原气氛下保温处理提高其表面活性；2)将活性钨粉、造孔剂和溶剂油在真空条件下充分混合得到钨胶体粉；3)利用金属模将钨胶体粉单向压制成骨架粉坯；4)去除造孔剂并烧结钨骨架坯体；5)利用熔融的金属铜浸渗坯体得到铜钨复合材料；6)利用电子束将铬青铜棒与铜钨复合材料焊接成整体触头。该方法制造的耐弧铜钨触头具有安全可靠、耐久性和稳定性好的特点。中国专利(公开号CN106180653A)公开一种放电等离子烧结制备铜钨触头材料的方法，将钨粉倒入石墨模具中，在真空与加压条件下利用等离子体烧结得到钨骨架，利用超声清洗、激光扫描和等离子体处理熔渗用铜块，然后在高温下用熔融的金属铜浸渗钨骨架，最后对铜钨烧结体进行真空热压处理，得到铜钨触头材料。该方法有降低生产成本和缩短生产周期的优点。

分析现有的电触头用铜钨复合材料及其制备方法可知，目前制备的铜钨复合材料中钨和铜两相在三维空间总是均匀分布，复合材料在微观结构和性能上均表现为各向同性，即钨相和铜相在空间上没有特定的优先取向，因而两相的性能优势无法集中在某些特定的方向上得以发挥。同时，尽管钨、铜两相在三维空间均相互连通，但其连通的路径沿任意方向都非常狭窄并且曲折，因此都无法实现良好的力学和导电、导热性能。具体来说，铜相较差的连通性影响复合材料的导电性和导热性，而钨相较差的连通性则不利于复合材料的硬度、强度和耐电弧烧蚀性能。然而，在实际服役条件下，电流在电触头材料中往往仅沿某一特定方向传导，因而主要对材料沿该方向的性能提出特定要求，如导电性、导热性、耐电弧烧蚀性能等。与之相似，电触头材料在实际使用过程中所受的载荷也主要位于与导电方向一致的某些特定方向或平面上，因此主要对电触头材料沿该方向的力学性能提出要求，如硬度、室温和高温强度、耐磨性等。因此，目前制备的铜钨复合材料的微观结构和性能与其实际使用要求明显不相符。此外，由于均匀、各向同性的微观结构无法在材料中引入有效的塑化和韧化机制，相对较脆的钨相的引入在强化材料的同时往往会引起复合材料的塑性和韧性的显著降低，特别是对于钨含量较高的材料，过低的塑性与韧性会影响其实际使用效果与寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有微观定向结构的铜钨复合材料及其制备方法，通过微观结构设计显著提高铜钨复合材料的力学性能和功能特性，特别是沿实际使用方向的硬度、强度、高温强度以及导电、导热和耐电弧烧蚀性能，并通过新型制备工艺的开发与应用实现复合材料中微观定向结构的构筑与控制，从而提供一种新型的高性能电触头材料与相应的制备方法，提升其使用效果并降低能源损耗。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术解决方案如下：

一种具有微观定向结构的铜钨复合材料，所述的复合材料由铜和钨组成，以质量百分数计，钨含量为30％～97％，其余为铜；所述的复合材料微观上具有定向结构，表现为铜和钨以片层形式沿特定方向相间排列，钨的片层厚度为0.2～80μm，片层间距为0.1～100μm。

所述的复合材料具有各向异性的力学性能和功能特性，沿片层方向表现出最佳的硬度、强度和电导率，其沿片层方向的硬度为1～4GPa，电导率为15％～85％IACS，室温压缩强度为200～1500MPa，500℃高温条件下的压缩强度为120～800MPa。

所述的具有微观定向结构的铜钨复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(A)浆料配制：将钨粉体和添加剂加入水中并充分混合，得到均匀分散的水基浆料；

(B)冷冻铸造：利用冷冻铸造工艺处理浆料，使浆料中的水发生定向凝固，从而将钨粉体和添加剂排挤到冰层之间，使其定向排列形成微观片层结构；

(C)真空冷冻干燥：对凝固的浆料脱模后进行真空冷冻干燥处理，去除其含有的水分，得到具有微观定向的片层结构的多孔坯体；

(D)去有机质和烧结：利用高温处理去除坯体中含有的有机质，对去有机质后的坯体进行高温烧结，得到具有微观定向的片层结构的多孔钨骨架；

(E)骨架熔渗：高温下利用熔融的金属铜浸渗烧结后的钨骨架，以铜熔体填充钨骨架孔隙，凝固冷却后切除多余的铜，得到具有微观定向结构的铜钨复合材料。

所述的复合材料中的钨含量通过沿垂直于片层的方向压缩真空冷冻干燥后的坯体或烧结后的钨骨架加以控制，压缩变形量为0～90％，压缩变形量越大，最终制备得到的复合材料中的钨含量越高；坯体的压缩工艺为：用含有机质的溶液浸渗真空冷冻干燥后的坯体，坯体干燥后在其片层表面形成一层包覆的有机质，该含有机质的溶液为含质量分数为0.5～10％的聚甲基丙烯酸甲酯的丙酮溶液，然后沿垂直于片层的方向在有机质的软化温度以上压缩坯体；在对压缩后的钨骨架进行熔渗前，按照所述的步骤(D)的操作对压缩后的钨骨架进行二次烧结处理以提高钨骨架的强度。

所述的添加剂包括烧结助剂、有机粘结剂和分散剂，该烧结助剂为铜粉体，添加量为钨粉体质量的0～18％，铜粉体的添加在不引入杂质的前提下促进钨骨架的烧结；该有机粘结剂是羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇、聚乙二醇、蔗糖或瓜尔胶中的一种或一种以上，有机粘结剂的添加量为去离子水质量的0.5～15％；该分散剂是聚丙烯酸、聚乙烯亚胺、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠或Darvan CN中的一种或一种以上，分散剂的添加量为钨粉体质量的0～12％。

所述的浆料混合工艺是搅拌、球磨或两者的结合，钨粉体、添加剂和水的质量比例范围为1：(0.001～0.5)：(0.1～8)；其中：搅拌速度为10～400rpm，搅拌时间大于0.2h；球磨速度为10～500rpm，球磨时间大于1h，磨球和浆料的质量比大于0.05。

所述的冷冻铸造工艺为：将浆料倒入模具中，通过对模具一端进行冷却，使得浆料中的水沿模具自底向上发生定向凝固，沿凝固方向生长的冰晶将浆料中的钨粉体和添加剂逐渐排挤到冰层之间，从而实现粉体的定向排列；模具的冷却通过将模具与一端浸于冷却剂中的铜板相连接实现，冷却剂为液氮或干冰。

所述的真空冷冻干燥工艺为：将凝固的浆料脱模后置于冷阱温度低于-30℃、真空度不超过10Pa的真空环境下，放置时间大于10h。

所述的去除坯体中含有的有机质的工艺为：在真空或保护气氛中对坯体进行加热保温处理，保温温度为300～600℃，保温时间为1～5h，升温和降温速率为0.5～10℃/min；所述的保护气氛为氮气、氩气、氦气或它们任意几种的混合气体；所述的钨骨架的烧结环境为真空、保护气氛或还原气氛，该保护气氛为氮气、氩气、氦气或它们任意几种的混合气体，该还原气氛为氢气或氢气与氩气的混合气体，烧结温度为900～1600℃，烧结时间大于0.2h，升温和降温速率为0.5～30℃/min。

所述的钨骨架的熔渗环境为真空、保护气氛或还原气氛，该保护气氛为氮气、氩气、氦气或它们任意几种的混合气体，该还原气氛为氢气或氢气与氩气的混合气体，熔渗温度为1100～1500℃，熔渗时间大于5min，升温和降温速率为0.5～30℃/min，熔渗用的材料为纯铜或富铜合金；将熔渗用的铜块置于钨骨架之上，利用重力作用促进铜熔体浸渗入骨架中。

本发明的设计思想为：

本发明的复合材料中，室温和高温强化效果以及抗电弧烧蚀性能主要由钨相提供，由于钨相以片层形式沿特定方向优先排列，因此复合材料沿该方向的硬度、强度和高温强度得以显著提升，并且由于钨片层在三维空间相互连通，复合材料中熔点较低的铜被钨分隔在无数细小的区域中而难以熔化，因此复合材料具有优异的耐电弧烧蚀性能；本发明的复合材料中，导电、导热性能以及塑性和韧性主要由铜相提供，由于铜相以片层形式沿特定方向优先排列并且在三维空间相互连通，因此复合材料沿该方向表现出优良的导电和导热性能，同时导电和导热性能的改善有利于减少热量的产生和积累，从而进一步提升复合材料的耐电弧烧蚀性能；此外，铜钨交替排列的微观定向片层结构有利于在复合材料中引入裂纹沿两相界面偏转以及钨片层在裂纹面上的桥连等增韧机制，从而有效阻碍复合材料中裂纹的扩展，改善其塑性和韧性。

与现有的材料、技术相比，本发明具有以下的优点及有益效果：

(a)本发明的铜钨复合材料由于具有微观定向结构而表现出各向异性的力学性能和功能特性，特别是在沿片层方向上具有最佳的性能，从而更好地满足实际使用过程中对材料沿特定方向的性能要求，提升材料的利用效率和使用效果。

(b)与具有各向同性的微观结构的铜钨复合材料相比，本发明的复合材料沿片层方向具有更为优异的硬度和室温以及高温强度，并且由于微观定向的片层结构在材料中引入高效的增韧机制，复合材料表现出优良的塑性和韧性。

(c)与具有各向同性的微观结构的铜钨复合材料相比，本发明的铜钨复合材料沿片层方向的导电、导热和耐电弧烧蚀性能得以显著提升，因此能够有效改善电触头材料的使用效果，延长使用寿命，并降低能源损耗。

(d)本发明的铜钨复合材料的制备方法简单，对设备要求低，制备的复合材料没有尺寸限制，适用于工业化批量生产，并且复合材料的微观结构和性能可以通过调整制备工艺进行有效控制。

(e)本发明的铜钨复合材料综合性能优异，有望用作电触头材料替代现有的铜钨复合材料，在(特)高压输电等领域具有可观的应用前景。

附图说明

图1为实施例1烧结得到的具有微观定向的片层结构的多孔钨骨架的扫描电子显微图片，图中骨架的孔隙率为67％，钨片层平均厚度约为20μm，片层平均间距约为40μm，(b)图显示的是(a)图中钨片层放大的图像，图中钨颗粒之间形成致密的烧结颈。

图2为实施例1制备得到的具有微观定向的片层结构的铜钨复合材料的扫描电子显微图片，图中亮白色为钨，暗黑色为铜，复合材料中钨的体积分数为33％。

图3为实施例1制备得到的具有微观定向的片层结构的铜钨复合材料沿平行和垂直于片层方向的室温压缩应力-应变曲线。

图4为实施例2制备得到的具有微观定向的片层结构的铜钨复合材料的扫描电子显微图片，图中亮白色为钨，暗黑色为铜，复合材料中钨的体积分数为41％。

图5为实施例5制备得到的具有微观定向的片层结构的铜钨复合材料的扫描电子显微图片，图中亮白色为钨，暗黑色为铜，复合材料中钨的体积分数为68％。

图6为实施例6制备得到的具有微观定向的片层结构的铜钨复合材料的扫描电子显微图片，图中亮白色为钨，暗黑色为铜，复合材料中钨的体积分数为82％。

具体实施方式

在具体实施过程中，具有微观定向结构的铜钨复合材料由质量分数为30％～97％(优选为50％～95％)的钨和铜组成，微观定向结构表现为钨和铜两相以片层形式沿特定方向相间排列，其中钨的片层厚度为0.2～80μm，片层间距为0.1～100μm。本发明通过采用浆料配制、冷冻铸造、真空冷冻干燥、去有机质和烧结以及骨架熔渗的工艺流程制备具有微观定向结构的铜钨复合材料，并且材料中的钨含量可以通过对坯体或骨架沿垂直于片层的方向进行压缩处理加以控制。经真空冷冻干燥获得具有微观定向的片层结构的多孔坯体，坯体片层的平均间距为0.2～500μm，孔隙率为10％～90％。经烧结得到具有微观定向的片层结构的多孔钨骨架，该骨架的孔隙率为5％～85％，钨片层的平均厚度为0.2～80μm，片层的平均间距为0.1～100μm。

下面结合具体实施例对本发明做进一步阐述，以下实施例仅限用于说明本发明，而不用于限制本发明的保护范围。

实施例1：

本实施例所用的原材料主要有钨粉(平均粒径500nm)、铜粉(平均粒径50nm)、去离子水、羟丙基甲基纤维素粉末(平均粒径180μm)、聚丙烯酸以及熔渗用纯铜块，具体制备工艺如下：

(A)浆料配制：取228g去离子水加入到500ml的塑料广口瓶中，向广口瓶中依次加入419g钨粉和33.2g铜粉，使用玻璃棒以80rpm的速度搅拌5min，使钨粉和铜粉均匀分散于水中。将广口瓶置于70℃的恒温水浴箱中，保温30min，向广口瓶中缓慢加入3.4g羟丙基甲基纤维素粉末，搅拌直至粉末均匀分散于浆料中。从恒温水浴箱中取出广口瓶，待浆料冷却后，向广口瓶中加入2.3g聚丙烯酸，搅拌5min使浆料均匀分散。向浆料中加入直径为3mm、6mm、10mm和12mm的氧化锆磨球各6个，并滴入3滴消泡剂(约0.2ml)，该消泡剂为南京华兴消泡剂有限公司生产的XPM-120型消泡剂，将广口瓶盖上瓶盖密封后，放置于滚筒式球磨机上进行球磨。球磨速度为150rpm，球磨时间为48h，球磨后得到含有钨粉和铜粉的均匀分散的水基浆料。浆料中添加的铜粉起到烧结助剂的作用，可以在不引入杂质的前提下促进钨骨架的烧结。

(B)冷冻铸造：将球磨后的浆料倒入内腔尺寸为20mm×20mm×70mm的长方体聚甲基丙烯酸甲酯模具中，模具下端以倾角为25°的聚二甲基硅氧烷底座密封，将模具放置于铜板上，将铜板的另一侧与一端浸没在液氮中的铜棒相连接，通过铜板的冷却使浆料中的水沿模具自底向上发生定向凝固，沿凝固方向生长的冰晶将钨粉、铜粉和添加剂逐渐排挤到定向生长的冰层之间，使其定向排列形成微观片层结构，待浆料完全凝固后脱模。

(C)真空冷冻干燥：将脱模的凝固浆料放置于真空冷冻干燥机中进行真空冷冻干燥处理以去除其含有的水分，设置冷阱温度为-60℃，真空度为1Pa，处理时间为72h，取出后得到由钨粉、铜粉和添加剂组成的片层所构成的具有微观定向的片层结构的多孔坯体，坯体片层的平均间距为50μm，孔隙率为75％。

(D)去有机质和烧结：将多孔坯体放置于热处理炉内，在氩气环境中，以5℃/min的速率从室温升温至500℃，保温2h，再以5℃/min的速率降温至室温，从而去除坯体中含有的有机质。将去有机质后的坯体放置于烧结炉内，在氢气环境中，以10℃/min的速率升温至1300℃，保温2h，再以10℃/min的速率降温至室温，烧结得到具有微观定向的片层结构的多孔钨骨架，其微观结构见图1。由图1可以看出，该骨架的孔隙率约为67％，钨片层的平均厚度约为20μm，片层的平均间距约为40μm。

(E)骨架熔渗：将烧结后的钨骨架放置于石墨坩埚内，将熔渗用铜块置于钨骨架之上，然后将石墨坩埚放置于烧结炉内，在-0.05MPa的真空条件下，以10℃/min的速率升温至1350℃，保温1h，利用熔融的金属铜浸渗钨骨架，以铜熔体填充骨架孔隙，再以5℃/min的速率降温至室温，切除多余的铜。

经上述工艺可制备得到具有微观定向的片层结构的铜钨复合材料，其微观结构见图2。由图2可以看出，该复合材料中钨的体积分数为33％，对应质量分数为52％。经测试，该复合材料沿片层方向的硬度为1.37GPa，垂直于片层方向的硬度为1.21GPa，室温下沿片层方向的压缩强度为350MPa，垂直于片层方向的压缩强度为300MPa，其沿平行和垂直于片层方向的室温压缩应力-应变曲线见图3。室温下沿片层方向的电导率为65％IACS，500℃高温条件下沿片层方向的压缩强度为270MPa。

实施例2：

本实施例所用的原材料与实施例1相同，具体制备工艺与实施例1的不同之处在于，浆料配制过程中所添加的去离子水的质量为145.6g，钨粉的质量为404g，铜粉的质量为32.8g，羟丙基甲基纤维素粉末的质量为7.3g，聚丙烯酸的质量为2.2g，其余操作均与实施例1相同。

经上述工艺可制备得到具有微观定向的片层结构的铜钨复合材料，其微观结构见图4。由图4可以看出，该复合材料中钨的体积分数为41％，对应质量分数为60％。经测试，该复合材料沿片层方向的硬度为1.97GPa，垂直于片层方向的硬度为1.85GPa，室温下沿片层方向的压缩强度为550MPa，电导率为58％IACS，垂直于片层方向的压缩强度为480MPa，500℃高温条件下沿片层方向的压缩强度为310MPa。

实施例3：

本实施例所用的原材料与实施例1相同，具体制备工艺与实施例1的不同之处在于，浆料配制过程中所添加的去离子水的质量为121.5g，钨粉的质量为450g，铜粉的质量为36.4g，羟丙基甲基纤维素粉末的质量为7.9g，聚丙烯酸的质量为2.4g，其余操作均与实施例1相同。

经上述工艺可制备得到具有微观定向的片层结构的铜钨复合材料，该复合材料中钨的体积分数为46％，对应质量分数为65％。经测试，该复合材料沿片层方向的硬度为2.15GPa，垂直于片层方向的硬度为2.07GPa，室温下沿片层方向的压缩强度为630MPa，电导率为50％IACS，垂直于片层方向的压缩强度为590MPa，500℃高温条件下沿片层方向的压缩强度为340MPa。

实施例4：

本实施例所用的原材料与实施例1相同，具体制备工艺与实施例1的不同之处在于，浆料配制过程中所添加的去离子水的质量为88.5g，钨粉的质量为462.6g，铜粉的质量为37.5g，羟丙基甲基纤维素粉末的质量为6.2g，聚丙烯酸的质量为2.5g，其余操作均与实施例1相同。

经上述工艺可制备得到具有微观定向的片层结构的铜钨复合材料，该复合材料中钨的体积分数为52％，对应质量分数为70％。经测试，该复合材料沿片层方向的硬度为2.43GPa，垂直于片层方向的硬度为2.19GPa，室温下沿片层方向的压缩强度为750MPa，电导率为46％IACS，垂直于片层方向的压缩强度为690MPa，500℃高温条件下沿片层方向的压缩强度为365MPa。

实施例5：

本实施例所用的原材料与实施例1相同，具体制备工艺如下：

取实施例1步骤(C)中得到的由钨粉、铜粉和添加剂组成的片层所构成的具有微观定向的片层结构的多孔坯体，依次执行下列步骤：

(A)垂直压缩坯体

将3g聚甲基丙烯酸甲酯粉体分散于97g丙酮中，使用磁力搅拌器以500rpm的速度搅拌30min，得到质量分数为3％的聚甲基丙烯酸甲酯的丙酮溶液，将多孔坯体缓慢浸没于该溶液中，静置10min后取出坯体，将其置于通风橱中干燥3h，然后将坯体置于钢制模具中，使用热压力机在110℃下沿垂直于片层的方向以15MPa的压强压缩坯体，保压10min，冷却后卸载并将坯体从模具中取出。

(B)去有机质、烧结与熔渗

按照实施例1中(D)、(E)步骤相同的操作，对垂直压缩后的坯体依次进行去有机质、烧结和骨架熔渗处理。

经上述工艺可制备得到具有微观定向的片层结构的铜钨复合材料，其微观结构见图5。由图5可以看出，该复合材料中钨的体积分数为68％，对应质量分数为82％。经测试，该复合材料沿片层方向的硬度为2.88GPa，垂直于片层方向的硬度为2.65GPa，室温下沿片层方向的压缩强度为910MPa，电导率为39％IACS，垂直于片层方向的压缩强度为850MPa，500℃高温条件下沿片层方向的压缩强度为410MPa。

实施例6：

本实施例所用的原材料与实施例1相同，具体制备工艺如下：

取实施例1步骤(D)中烧结得到的具有微观定向的片层结构的多孔钨骨架，依次执行下列步骤：

(A)垂直压缩骨架

将钨骨架放置于120℃的加热台上，取质量占骨架的5％的固体石蜡置于骨架之上，待石蜡融化并浸入骨架后，将骨架置于钢制模具中，使用热压力机在90℃下沿垂直于片层的方向以600MPa的压强压缩骨架，保压30min，冷却后卸载并将骨架从模具中取出。

(C)去有机质、烧结与熔渗

按照实施例1中(D)、(E)步骤相同的操作，对垂直压缩后的钨骨架依次进行去有机质、二次烧结和熔渗处理。

经上述工艺可制备得到具有微观定向的片层结构的铜钨复合材料，其微观结构见图6。由图6可以看出，该复合材料中钨的体积分数为82％，对应质量分数为91％。经测试，该复合材料沿片层方向的硬度为3.34GPa，垂直于片层方向的硬度为3.15GPa，室温下沿片层方向的压缩强度为1080MPa，电导率为29％IACS，垂直于片层方向的压缩强度为990MPa，500℃高温条件下沿片层方向的压缩强度为410MPa。

实施例结果表明，本发明制备的复合材料具有各向异性的力学性能和功能特性，特别是沿片层方向具有优异的力学性能和功能特性，包括高硬度、高强度、良好的塑性和韧性，以及优异的导电、导热性和耐电弧烧蚀性能。该材料主要用作电触头材料，可以提升构件的使用效果，延长其使用寿命，减轻构件质量，并降低能源损耗。

Claims (10)

1.一种具有微观定向结构的铜钨复合材料，其特征在于，所述的复合材料由铜和钨组成，以质量百分数计，钨含量为30％～97％，其余为铜；所述的复合材料微观上具有定向结构，表现为铜和钨以片层形式沿特定方向相间排列，钨的片层厚度为0.2～80μm，片层间距为0.1～100μm。

2.根据权利要求1所述的具有微观定向结构的铜钨复合材料，其特征在于，所述的复合材料具有各向异性的力学性能和功能特性，沿片层方向表现出最佳的硬度、强度和电导率，其沿片层方向的硬度为1～4GPa，电导率为15％～85％IACS，室温压缩强度为200～1500MPa，500℃高温条件下的压缩强度为120～800MPa。

3.一种权利要求1至2之一所述的具有微观定向结构的铜钨复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(A)浆料配制：将钨粉体和添加剂加入水中并充分混合，得到均匀分散的水基浆料；

(B)冷冻铸造：利用冷冻铸造工艺处理浆料，使浆料中的水发生定向凝固，从而将钨粉体和添加剂排挤到冰层之间，使其定向排列形成微观片层结构；

(C)真空冷冻干燥：对凝固的浆料脱模后进行真空冷冻干燥处理，去除其含有的水分，得到具有微观定向的片层结构的多孔坯体；

(D)去有机质和烧结：利用高温处理去除坯体中含有的有机质，对去有机质后的坯体进行高温烧结，得到具有微观定向的片层结构的多孔钨骨架；

(E)骨架熔渗：高温下利用熔融的金属铜浸渗烧结后的钨骨架，以铜熔体填充钨骨架孔隙，凝固冷却后切除多余的铜，得到具有微观定向结构的铜钨复合材料。

4.根据权利要求3所述的具有微观定向结构的铜钨复合材料的制备方法，其特征在于，所述的复合材料中的钨含量通过沿垂直于片层的方向压缩真空冷冻干燥后的坯体或烧结后的钨骨架加以控制，压缩变形量为0～90％，压缩变形量越大，最终制备得到的复合材料中的钨含量越高；坯体的压缩工艺为：用含有机质的溶液浸渗真空冷冻干燥后的坯体，坯体干燥后在其片层表面形成一层包覆的有机质，该含有机质的溶液为含质量分数为0.5～10％的聚甲基丙烯酸甲酯的丙酮溶液，然后沿垂直于片层的方向在有机质的软化温度以上压缩坯体；在对压缩后的钨骨架进行熔渗前，按照所述的步骤(D)的操作对压缩后的钨骨架进行二次烧结处理以提高钨骨架的强度。

5.根据权利要求3所述的具有微观定向结构的铜钨复合材料的制备方法，其特征在于，所述的添加剂包括烧结助剂、有机粘结剂和分散剂，该烧结助剂为铜粉体，添加量为钨粉体质量的0～18％，铜粉体的添加在不引入杂质的前提下促进钨骨架的烧结；该有机粘结剂是羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇、聚乙二醇、蔗糖或瓜尔胶中的一种或一种以上，有机粘结剂的添加量为去离子水质量的0.5～15％；该分散剂是聚丙烯酸、聚乙烯亚胺、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠或Darvan CN中的一种或一种以上，分散剂的添加量为钨粉体质量的0～12％。

6.根据权利要求3所述的具有微观定向结构的铜钨复合材料的制备方法，其特征在于，所述的浆料混合工艺是搅拌、球磨或两者的结合，钨粉体、添加剂和水的质量比例范围为1：(0.001～0.5)：(0.1～8)；其中：搅拌速度为10～400rpm，搅拌时间大于0.2h；球磨速度为10～500rpm，球磨时间大于1h，磨球和浆料的质量比大于0.05。

7.根据权利要求3所述的具有微观定向结构的铜钨复合材料的制备方法，其特征在于，所述的冷冻铸造工艺为：将浆料倒入模具中，通过对模具一端进行冷却，使得浆料中的水沿模具自底向上发生定向凝固，沿凝固方向生长的冰晶将浆料中的钨粉体和添加剂逐渐排挤到冰层之间，从而实现粉体的定向排列；模具的冷却通过将模具与一端浸于冷却剂中的铜板相连接实现，冷却剂为液氮或干冰。

8.根据权利要求3所述的具有微观定向结构的铜钨复合材料的制备方法，其特征在于，所述的真空冷冻干燥工艺为：将凝固的浆料脱模后置于冷阱温度低于-30℃、真空度不超过10Pa的真空环境下，放置时间大于10h。

9.根据权利要求3所述的具有微观定向结构的铜钨复合材料的制备方法，其特征在于，所述的去除坯体中含有的有机质的工艺为：在真空或保护气氛中对坯体进行加热保温处理，保温温度为300～600℃，保温时间为1～5h，升温和降温速率为0.5～10℃/min；所述的保护气氛为氮气、氩气、氦气或它们任意几种的混合气体；所述的钨骨架的烧结环境为真空、保护气氛或还原气氛，该保护气氛为氮气、氩气、氦气或它们任意几种的混合气体，该还原气氛为氢气或氢气与氩气的混合气体，烧结温度为900～1600℃，烧结时间大于0.2h，升温和降温速率为0.5～30℃/min。

10.根据权利要求3所述的具有微观定向结构的铜钨复合材料的制备方法，其特征在于，所述的钨骨架的熔渗环境为真空、保护气氛或还原气氛，该保护气氛为氮气、氩气、氦气或它们任意几种的混合气体，该还原气氛为氢气或氢气与氩气的混合气体，熔渗温度为1100～1500℃，熔渗时间大于5min，升温和降温速率为0.5～30℃/min，熔渗用的材料为纯铜或富铜合金；将熔渗用的铜块置于钨骨架之上，利用重力作用促进铜熔体浸渗入骨架中。