水熱法制備氧化鋯增強(qiáng)銅基復(fù)合粉體的研究

劉民偉

【摘 要】論文采用水熱法制備ZrO2/Cu復(fù)合粉體，使用電子掃描顯微鏡觀察復(fù)合粉體中ZrO2的分布，通過(guò)能譜分析研究了復(fù)合粉體中ZrO2和Cu基體的結(jié)合方式。研究結(jié)果表明ZrO2均勻附著在Cu基體的表面，顆粒尺寸一般小于0.1μm，復(fù)合粉體中氧化鋯和銅基體的結(jié)合面相容性非常好，界面結(jié)合可靠，并且基體組織無(wú)雜質(zhì)。

【Abstract】In this paper， ZrO2/Cu composite powders are prepared by hydrothermal method， and the distribution of ZrO2 in the composite powder was observed by electron microscope .The binding mode of ZrO2 and Cu matrix in the composite powder was studied by energy spectrum analysis. The results show that ZrO2 evenly attached on the surface of Cu substrate， the particle size is generally less than 0.1μm.The joint face of zirconia and copper matrix in the composite powder is very good and reliable， and there is no impurity in the matrix.

【關(guān)鍵詞】水熱法；氧化鋯；銅基復(fù)合材料

【Keywords】hydrothermal method； zirconia； copper matrix composites

【中圖分類號(hào)】TQ016 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）05-0184-02

1 引言

目前，國(guó)內(nèi)外銅基復(fù)合材料研究的重點(diǎn)在于其高強(qiáng)度、高導(dǎo)電、耐熱性以及高耐磨性，近年來(lái)雖然也取得了一定的成果，但是仍存在很多問(wèn)題。選擇合適的增強(qiáng)相是制備銅基復(fù)合材料最大的難點(diǎn)，在所有的金屬氧化物中，氧化鋯的高溫?zé)岱€(wěn)定性最好，又擁有與金屬材料較為接近的熱膨脹系數(shù)，再加上氧化鋯的相變?cè)鲰g等特性，以及良好的機(jī)械性能和熱物理性能，使之成為金屬基復(fù)合材料中性能優(yōu)異的增強(qiáng)相[1]。本課題采用了水熱法制備氧化鋯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的銅基復(fù)合材料，并對(duì)基體與增強(qiáng)相之間的結(jié)合形式進(jìn)行分析。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)原料及性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)所用原料：ZrOCl2·8H2O、CuSO4·5H2O、氫氧化鈉、蒸餾水。

2.2 實(shí)驗(yàn)器材

鐵架臺(tái)、漏斗、250ml玻璃燒杯兩個(gè)、800ml玻璃燒杯、塑料燒杯、玻璃棒、濾紙、電子天平、藥匙、PH試紙、坩堝、箱式電阻爐、陶瓷研缽、樣品袋。

2.3 化學(xué)反應(yīng)式

CuSO4+2NaOH=Na2SO4+Cu（OH）2↓ （1）

ZrOCl2+2NaOH+H2O=Zr（OH）4↓+2NaCl （2）

（1）+（2）：

ZrOCl2+4NaOH+CuSO4+H2O=Zr（OH）4↓+CuOH2↓+2NaCl+Na2SO4

2.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

①根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算出，制作氧化鋯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的銅基復(fù)合粉末所需氧氯化鋯和硫酸銅的重量，并分別溶解于兩個(gè)玻璃燒杯中。

②取適量氫氧化鈉，放入塑料燒杯中，加水溶解。

③把兩個(gè)玻璃燒杯中溶解好的藥品混合，滴入配置好的氫氧化鈉溶液，并用玻璃棒充分?jǐn)嚢?，用pH試紙測(cè)量pH值，直至pH>9時(shí)停止滴加氫氧化鈉，并靜置兩小時(shí)，以保證反應(yīng)充分進(jìn)行。

④把靜置后的溶液進(jìn)行過(guò)濾，將過(guò)濾出來(lái)的沉淀進(jìn)行初步干燥，然后裝入樣品袋。

⑤把制備的沉淀放入坩堝中，再把坩堝放入箱式電阻爐中，在150℃下干燥3小時(shí)，充分干燥后，再在400℃下灼燒兩小時(shí)，這樣就得到了ZrO2、CuO復(fù)合粉末。

⑥混合粉末用H2在500℃下還原，得到ZrO2、Cu復(fù)合粉末。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由表格中的數(shù)據(jù)可知試樣中的主要元素為Cu，同時(shí)含有少量的Zr和微量的S，并且經(jīng)計(jì)算，ZrO2的含量為8.3%，接近10%，所以，試樣是以Cu為基體，以ZrO2為第二相增強(qiáng)體，復(fù)合粉體是ZrO2顆粒彌散強(qiáng)化的Cu基復(fù)合材料，亞微米ZrO2顆粒均勻地分布在Cu基體上。并且通過(guò)EDS分析可知，增強(qiáng)相ZrO2與基體Cu的界面處沒(méi)有生成新的化合物，也沒(méi)有析出相，可以確定界面結(jié)合方式為原子直接結(jié)合，這種界面結(jié)合方式與其他方式相比具有極大的穩(wěn)定性。

圖3-2是一張典型的ZrO2/Cu復(fù)合粉末的電子掃描顯微鏡照片。在圖片中黑色部分是導(dǎo)電膠，白色毛刺狀不規(guī)則球形物質(zhì)是銅基質(zhì)，其平均尺寸在1μm左右，其表面的顆粒物是第二相增強(qiáng)體ZrO2顆粒，在基質(zhì)中原位生成的第二相顆粒ZrO2是球狀的，他們的尺寸在0.05μm到0.1μm之間。

在掃描顯微鏡照片中我們可以看到基體銅的顆粒大小不一，絕大多數(shù)近似球體，也有一小部分是不規(guī)則毛刺狀，這種現(xiàn)象的存在是因?yàn)橛脷錃膺€原CuO的時(shí)候，還原溫度和加熱時(shí)間的不同造成的，還原溫度高、加熱時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)使基體顆粒增大，出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象，這樣就形成了毛刺狀不規(guī)則顆粒。采用低溫還原氧化銅可以消除還原時(shí)銅粉顆粒的團(tuán)聚；提高還原溫度，可大大縮短還原過(guò)程的時(shí)間，但是，當(dāng)超過(guò)一定還原溫度時(shí)，就會(huì)引起顆粒的急劇長(zhǎng)大或者局部團(tuán)簇的燒結(jié)[2]。

通過(guò)研究放大10000倍和20000倍的ZrO2/Cu復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)，可以看到基體中較為均勻地分布著第二相ZrO2顆粒，并且其在銅基體中分布的也比較均勻，但是在銅基體中也出現(xiàn)了少量的ZrO2團(tuán)聚現(xiàn)象，據(jù)分析這種現(xiàn)象跟增強(qiáng)相ZrO2與基體銅的潤(rùn)濕性有關(guān)，雖然原位化學(xué)制備工藝可以在一定程度上解決基體與增強(qiáng)相的浸潤(rùn)不良問(wèn)題，但是由于增強(qiáng)相ZrO2的尺寸較小，一般屬于納米級(jí)的，所以在現(xiàn)實(shí)中不可避免地會(huì)出現(xiàn)增強(qiáng)相的團(tuán)聚現(xiàn)象。

4 結(jié)論

①采用水熱法可以制備ZrO2/Cu復(fù)合材料，復(fù)合粉體中ZrO2的顆粒大小在20～100nm，為彌散強(qiáng)化相。

②ZrO2/Cu復(fù)合材料的界面是原子直接結(jié)合，沒(méi)有反應(yīng)物生成，也沒(méi)有任何析出相，界面平整、清潔，結(jié)合強(qiáng)度高。

③ ZrO2/Cu復(fù)合材料基體與增強(qiáng)體具有較好的潤(rùn)濕性，有利于高強(qiáng)度界面的產(chǎn)生，并且可以減弱ZrO2顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象。

【參考文獻(xiàn)】

【1】于化順.金屬基復(fù)合材料及其制備技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

【2】丁儉，趙乃勤，師春生，等. 不同還原參數(shù)對(duì)ZrO2/Cu復(fù)合材料的影響[A].復(fù)合材料——基礎(chǔ)、創(chuàng)新、高效：第十四屆全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（下）[C].2006.