CN111926213A - 一种纳米铜合金 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米铜合金，其含有的化学成分重量百分比为：铝0.2～2％、铜97.9～99.7％和不可避免的杂质；所述铜的原料为铜粉；所述铝的原料为铝粉和氧化铝粉中的至少一种。本发明所述纳米铜合金的制备原料中加入了特定含量的氧化铝粉或铝粉，在混合物中均匀弥散形成纳米晶核，然后诱导铜合金结构形成不超过100nm的微观结构，从而在配方样品中形成均匀纳米结构，达到纳米增强的目的。本发明还公开了一种纳米铜合金的制备方法，所述制备方法工艺简单，可大批量工业化生产纳米铜合金。

Description

一种纳米铜合金

技术领域

本发明属于新材料领域，具体涉及一种纳米铜合金。

背景技术

纳米材料由于具有独特的物理、化学、力学性能，在电子信息、生物工程、航空航天等具有广阔的应用前景。纳米材料主要包括纳米粉体材料、纳米薄膜材料、表面纳米化材料及块状纳米材料。然而目前市面上所描述的纳米材料大多是指纳米粉体材料(零维)，块状纳米材料作为三维的纳米材料，早期所使用的冷压和烧结成型技术会导致纳米晶金属材料微观结构缺陷引起的块状纳米晶金属材料性能不稳定；而由于受到制备技术、材料配方等的限制，块状纳米材料至今依然很难实现工业化的生产。目前块状纳米合金的制造，或采用纳米粉末高温烧结、大塑性变形(SPD)等复杂工艺，采用高温、高压等苛刻条件，仅能制得晶粒尺寸较大、界面粗糙、微孔隙过多的块状纳米制品；或采用非晶晶化法，通过采用特殊的材料配方，首先获得非晶态固体，然后通过熔体激冷等方法实现非晶态向晶态转变，制备块状纳米产品。上述方法一方面依赖于材料的配方，一方面依赖于复杂的制备工艺，制得块状纳米产品仍然质量较差，限制了块状纳米合金的工业化应用。

发明内容

基于现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种纳米铜合金。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种纳米铜合金，其含有的化学成分重量百分比为：铝0.2～2％、铜97.9～99.7％和不可避免的杂质；所述铜的原料为铜粉；所述铝的原料为铝粉和氧化铝粉中的至少一种。

本发明所述纳米铜合金的制备原料中加入了特定含量的氧化铝粉或铝粉，通过特殊的加工工艺在混合物中均匀弥散形成纳米晶核，然后诱导铜结构形成不超过100nm的微观结构，从而在配方样品中形成均匀纳米结构，达到纳米增强的目的，使该铜合金的整体强度和延展性明显提高。

所述铜合金中，氧化铝粉或铝粉的添加量过低难以发挥其在铜合金结构形成过程中的诱导作用，过多则容易导致分散不均匀，从而团聚，影响合金晶相的晶粒度，降低铜合金的拉伸强度和延伸率。发明人发现，铝含量为0.2～2％时，铜合金具有更好的拉伸性能和延展性。

本发明所述纳米铜合金中还包含少量的氮和氧，氮和氧的重量百分比含量为：氮≤0.05％，氧≤0.05％。

优选地，所述纳米铜合金含有铝的化学成分重量百分比为0.5～1.5％。所述铝含量为0.5～1.5％时，拉伸强度和延伸率更高。

优选地，本发明所述的纳米铜合金含有的化学成分重量百分比为：铝0.5～1.5％、铜98.4～99.4％和不可避免的杂质。所述纳米铜合金为上述成分含量范围时综合力学性能更高。

优选地，所述纳米铜合金含有的化学成分还包括锌；所述纳米铜合金含有的化学成分重量百分比为：铝0.5～1.5％、锌0.1～0.2％、铜98.4～99.4％和不可避免的杂质；所述锌的原料为纳米氧化锌粉。

在纳米铜合金配方中添加少量的纳米级别的氧化锌粉可改善铜合金的延展性，但含量过多则会影响铜合金的拉伸强度和硬度。发明人发现，当锌含量为0.1～0.2％时，铜合金的拉伸强度和硬度没有太大影响，而延伸率提高明显。

优选地，所述铝粉和氧化铝粉为纳米铝粉和纳米氧化铝粉，所述纳米氧化铝粉和纳米铝粉的粒径为10～50nm。在该含量范围内的氧化铝粉和铝粉在铜合金结构的形成中更有利于形成纳米晶核，得到的铜合金具有更好的拉伸强度和延伸率。

优选地，所述杂质包括铁、铅、硫和磷，所述杂质在纳米铜合金中的化学成分重量百分比≤0.1％。

本发明的目的还在于提供所述纳米铜合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)将铜粉和其他原料分别加热至熔融；所述铜粉的加热温度为1100℃以上；所述其他原料的加热温度为700℃以上；

(2)将融化后铜粉缓慢加入至其他原料中加热搅拌混合2～5h后，冷却，即得所述纳米铜合金；所述加热的温度为1100℃以上。

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种纳米铜合金，本发明所述纳米铜合金的制备原料中加入了特定含量的纳米级别的氧化铝粉和氧化锌粉，在混合物中均匀弥散形成纳米晶核，然后诱导铜合金结构形成不超过100nm的微观结构，从而在配方样品中形成均匀纳米结构，达到纳米增强的目的。制备得到的纳米铜合金具有优异的拉伸强度及延伸率，其硬度也与普通铜合金相似，总体力学性能优于普通铜合金。本发明还提供了一种纳米铜合金的制备方法，所述制备方法工艺简单，可大批量工业化生产纳米铜合金。

附图说明

图1为实施例3所制备的纳米铜合金在放大倍率为20k倍数下的扫描电镜(SEM)图；

图2为实施例3所制备的纳米铜合金在放大倍率为50k倍数下的扫描电镜(SEM)图。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明，其目的在于详细地理解本发明的内容，而不是对本发明的限制。

实施例1

本发明所述纳米铜合金的一种实施例，本实施例所述纳米铜合金中含有的化学成分和重量百分比包括：铝0.2％和铜99.7％。

本实施例中，各原料来源为：铝源为粒径为10～50nm的氧化铝粉，铜源为市面上可购买的铜粉。

本实施例中，所述纳米铜合金的制备方法为：

(1)将铜粉和氧化铝粉分别加热至熔融；所述铜粉的加热温度为1200℃；所述其他原料的加热温度为750℃。

(2)将融化后铜粉缓慢加入至其他原料中加热搅拌混合3h后，冷却，即得所述纳米铜合金；所述加热的温度为1200℃。

实施例2～6和对比例1～2

实施例2～6和对比例1～2与实施例1所述纳米铜合金的化学成分的不同之处仅在于铝含量及铜含量的不同，实施例2～6和对比例1～2所述纳米铜合金的铝含量及铜含量见表1。

实施例2～6和对比例1～2所述纳米铜合金的各原料来源和制备方法同实施例1。

表1

实施例7

本发明所述纳米铜合金的一种实施例，本实施例所述纳米铜合金中含有的化学成分和重量百分比包括：铝1.0％、铜98.75％和锌0.15％。本实施例中，锌源为粒径为10～50nm的氧化锌粉。

实施例8

本发明所述纳米铜合金的一种实施例，本实施例所述纳米铜合金中含有的化学成分和重量百分比包括：铝1.0％、铜98.8％和锌0.1％。本实施例中，锌源为粒径为10～50nm的氧化锌粉。

对比例3

本对比例所述纳米铜合金的化学成分和制备方法与实施例1相同，本对比例各原料来源与实施例1的不同之处仅在于铝源的不同，本对比例的铝源为：普通氧化铝粉(平均粒径≥50μm)。

对比例4

本对比例为T2紫铜样品，T2紫铜样品中含有的化学成分和重量百分比为：铜99.9％、铁0.005％、硫0.005％、铅0.005％及不可避免的杂质。

对实施例1～8及对比例1～4所述铜合金样品进行机械性能测试，其中硬度测试方法为GB/T230.1-2018，拉伸强度及延伸率的测试方法为GB/T228-2018，测试结果见表2。

从表2可以看出，实施例1～8的铜合金样品均表现出优异的机械性能，相比于对比例1中的T2紫铜合金，虽然硬度稍微降低，但拉伸强度提高50％，而延伸率提高了将近10倍；添加了锌的实施例7和8的铜合金样品拉伸强度和硬度变化不明显，但延伸率进一步得到提高。对比例2和4所得铜合金样品与T2紫铜合金相比仅有少量拉伸强度的提高，说明只有在本发明限定的范围内制备的纳米铜合金其机械力学性能才能得到提升。对比例3相比于实施例1其拉伸强度和延伸率稍弱，但相对于对比例1仍有明显提高，说明使用纳米级别的铝源可使制备的纳米铜合金获得更好的拉伸性能和延展性，非纳米级别的铝源在合适的添加量下依然可以提高拉伸强度和延展性。

表2

实施例3成品的X射线衍射(XRD)测试结果如表3所示。表中可以看出，，冶炼得到的合金固体可以形成平均晶粒尺寸73.52nm的均匀块状纳米合金结构。该实施例成品的扫描电镜图如图1及图2所示，制得的纳米铜合金呈块状且形貌均匀。

表3

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (9)

1.一种纳米铜合金，其特征在于，其含有的化学成分重量百分比为：铝0.2～2％、铜97.9～99.7％和不可避免的杂质；所述铜的原料为铜粉；所述铝的原料为铝粉和氧化铝粉中的至少一种。

2.如权利要求1所述的纳米铜合金，其特征在于，所述纳米铜合金含有铝的化学成分重量百分比为0.5～1.5％。

3.如权利要求1所述的纳米铜合金，其特征在于，所述纳米铜合金含有的化学成分重量百分比为：铝0.5～1.5％、铜98.4～99.4％和不可避免的杂质。

4.如权利要求1所述的纳米铜合金，其特征在于，所述纳米铜合金含有的化学成分还包括锌；所述锌的原料为纳米氧化锌粉。

5.如权利要求4所述的纳米铜合金，其特征在于，所述纳米铜合金含有的化学成分重量百分比为：铝0.5～1.5％、锌0.1～0.2％、铜98.4～99.4％和不可避免的杂质。

6.如权利要求1所述的纳米铜合金，其特征在于，所述铝粉和氧化铝粉为纳米铝粉和纳米氧化铝粉，所述纳米氧化铝粉和纳米铝粉的粒径为10～50nm。

7.如权利要求1所述的纳米铜合金，其特征在于，所述杂质包括铁、铅、硫和磷；所述杂质在所述纳米铜合金中的化学成分重量百分比≤0.1％。

8.如权利要求1所述的纳米铜合金，其特征在于，所述纳米铜合金中还包含以下重量百分比的化学成分：氮≤0.05％，氧≤0.05％。

9.如权利要求1～8任一项所述纳米铜合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将铜粉和其他原料分别加热至熔融；所述铜粉的加热温度为1100℃以上；所述其他原料的加热温度为700℃以上；

(2)将融化后铜粉缓慢加入至其他原料中加热搅拌混合2～5h后，冷却，即得所述纳米铜合金；所述加热的温度为1100℃以上。

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