水热法制备氧化锆增强铜基复合粉体的研究

刘民伟

【摘 要】论文采用水热法制备ZrO2/Cu复合粉体，使用电子扫描显微镜观察复合粉体中ZrO2的分布，通过能谱分析研究了复合粉体中ZrO2和Cu基体的结合方式。研究结果表明ZrO2均匀附着在Cu基体的表面，颗粒尺寸一般小于0.1μm，复合粉体中氧化锆和铜基体的结合面相容性非常好，界面结合可靠，并且基体组织无杂质。

【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.

【关键词】水热法；氧化锆；铜基复合材料

【Keywords】hydrothermal method； zirconia； copper matrix composites

【中图分类号】TQ016 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）05-0184-02

1 引言

目前，国内外铜基复合材料研究的重点在于其高强度、高导电、耐热性以及高耐磨性，近年来虽然也取得了一定的成果，但是仍存在很多问题。选择合适的增强相是制备铜基复合材料最大的难点，在所有的金属氧化物中，氧化锆的高温热稳定性最好，又拥有与金属材料较为接近的热膨胀系数，再加上氧化锆的相变增韧等特性，以及良好的机械性能和热物理性能，使之成为金属基复合材料中性能优异的增强相[1]。本课题采用了水热法制備氧化锆质量分数为10%的铜基复合材料，并对基体与增强相之间的结合形式进行分析。

2 实验方法

2.1 实验原料及性质

实验所用原料：ZrOCl2·8H2O、CuSO4·5H2O、氢氧化钠、蒸馏水。

2.2 实验器材

铁架台、漏斗、250ml玻璃烧杯两个、800ml玻璃烧杯、塑料烧杯、玻璃棒、滤纸、电子天平、药匙、PH试纸、坩埚、箱式电阻炉、陶瓷研钵、样品袋。

2.3 化学反应式

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 实验设计

①根据化学方程式计算出，制作氧化锆质量分数为10%的铜基复合粉末所需氧氯化锆和硫酸铜的重量，并分别溶解于两个玻璃烧杯中。

②取适量氢氧化钠，放入塑料烧杯中，加水溶解。

③把两个玻璃烧杯中溶解好的药品混合，滴入配置好的氢氧化钠溶液，并用玻璃棒充分搅拌，用pH试纸测量pH值，直至pH>9时停止滴加氢氧化钠，并静置两小时，以保证反应充分进行。

④把静置后的溶液进行过滤，将过滤出来的沉淀进行初步干燥，然后装入样品袋。

⑤把制备的沉淀放入坩埚中，再把坩埚放入箱式电阻炉中，在150℃下干燥3小时，充分干燥后，再在400℃下灼烧两小时，这样就得到了ZrO2、CuO复合粉末。

⑥混合粉末用H2在500℃下还原，得到ZrO2、Cu复合粉末。

3 实验结果与分析

由表格中的数据可知试样中的主要元素为Cu，同时含有少量的Zr和微量的S，并且经计算，ZrO2的含量为8.3%，接近10%，所以，试样是以Cu为基体，以ZrO2为第二相增强体，复合粉体是ZrO2颗粒弥散强化的Cu基复合材料，亚微米ZrO2颗粒均匀地分布在Cu基体上。并且通过EDS分析可知，增强相ZrO2与基体Cu的界面处没有生成新的化合物，也没有析出相，可以确定界面结合方式为原子直接结合，这种界面结合方式与其他方式相比具有极大的稳定性。

图3-2是一张典型的ZrO2/Cu复合粉末的电子扫描显微镜照片。在图片中黑色部分是导电胶，白色毛刺状不规则球形物质是铜基质，其平均尺寸在1μm左右，其表面的颗粒物是第二相增强体ZrO2颗粒，在基质中原位生成的第二相颗粒ZrO2是球状的，他们的尺寸在0.05μm到0.1μm之间。

在扫描显微镜照片中我们可以看到基体铜的颗粒大小不一，绝大多数近似球体，也有一小部分是不规则毛刺状，这种现象的存在是因为用氢气还原CuO的时候，还原温度和加热时间的不同造成的，还原温度高、加热时间长，会使基体颗粒增大，出现烧结现象，这样就形成了毛刺状不规则颗粒。采用低温还原氧化铜可以消除还原时铜粉颗粒的团聚；提高还原温度，可大大缩短还原过程的时间，但是，当超过一定还原温度时，就会引起颗粒的急剧长大或者局部团簇的烧结[2]。

通过研究放大10000倍和20000倍的ZrO2/Cu复合材料的显微结构，可以看到基体中较为均匀地分布着第二相ZrO2颗粒，并且其在铜基体中分布的也比较均匀，但是在铜基体中也出现了少量的ZrO2团聚现象，据分析这种现象跟增强相ZrO2与基体铜的润湿性有关，虽然原位化学制备工艺可以在一定程度上解决基体与增强相的浸润不良问题，但是由于增强相ZrO2的尺寸较小，一般属于纳米级的，所以在现实中不可避免地会出现增强相的团聚现象。

4 结论

①采用水热法可以制备ZrO2/Cu复合材料，复合粉体中ZrO2的颗粒大小在20～100nm，为弥散强化相。

②ZrO2/Cu复合材料的界面是原子直接结合，没有反应物生成，也没有任何析出相，界面平整、清洁，结合强度高。

③ ZrO2/Cu复合材料基体与增强体具有较好的润湿性，有利于高强度界面的产生，并且可以减弱ZrO2颗粒的团聚现象。

【参考文献】

【1】于化顺.金属基复合材料及其制备技术[M].北京：化学工业出版社，2006.

【2】丁俭，赵乃勤，师春生，等. 不同还原参数对ZrO2/Cu复合材料的影响[A].复合材料——基础、创新、高效：第十四届全国复合材料学术会议论文集（下）[C].2006.