專(zhuān)利名稱(chēng)：一種超高強(qiáng)度高導(dǎo)電率塊體純銅材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米晶體材料的改進(jìn)技術(shù)，特別是一種具有超高強(qiáng)度、高導(dǎo)電率的塊體高密度納米孿晶金屬純銅及其制備方法。
背景技術(shù)：
銅是人類(lèi)最早發(fā)現(xiàn)和使用的金屬之一。目前，銅及銅合金已廣泛應(yīng)用于電氣、電子、機(jī)械、儀表、造船和建筑等工業(yè)部門(mén)。20世紀(jì)末，世界的銅產(chǎn)量約為1450萬(wàn)噸。純銅具有良好的導(dǎo)電性，但強(qiáng)度較低，退火態(tài)純銅室溫拉伸屈服強(qiáng)度只有30MPa左右。為了改善銅的性能，通常需要加入一些危害較小的合金元素(如Al，F(xiàn)e，Ni，Sn，Zn，Ag，Sb等)以提高其強(qiáng)度和硬度。但是，這些合金元素的加入將導(dǎo)致銅的導(dǎo)電性大幅度降低。而且，少量Fe和Ni對(duì)Cu的磁性有影響，對(duì)制造羅盤(pán)和航空器不利；Cd，Zn，Sn，Pb等在高溫、高真空中易揮發(fā)，制造電子管零件時(shí)受到限制。
根據(jù)Hall-Petch關(guān)系其中σ金屬多晶體的屈服強(qiáng)度、σo退火粗晶體的屈服強(qiáng)度、d晶粒尺寸，金屬材料的強(qiáng)度隨晶粒尺寸減小而增大。所以工業(yè)上通過(guò)冷軋和冷拔等塑性變形技術(shù)細(xì)化晶粒尺寸來(lái)提高純銅的屈服強(qiáng)度。文獻(xiàn)中冷拔銅的屈服強(qiáng)度大約330MPa。俄羅斯材料科學(xué)家Valiev等人(文獻(xiàn)1Valiev R Z，Joural of Materials Research(材料研究)，2002；175)利用等通道擠壓制備的塊體超細(xì)晶銅，平均晶粒尺寸大約100nm，室溫拉伸時(shí)屈服強(qiáng)度380MPa。
對(duì)于發(fā)展高強(qiáng)度導(dǎo)電體材料，強(qiáng)度和導(dǎo)電性是兩個(gè)最重要的參數(shù)。因?yàn)榇蠖鄶?shù)強(qiáng)化材料的方法都明顯地降低材料的導(dǎo)電性，因此制備同時(shí)具有高強(qiáng)度和高導(dǎo)電率塊體純銅材料是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。各種缺陷對(duì)導(dǎo)電材料強(qiáng)度和電阻的影響根據(jù)Mathiessen公式表示為ρ＝ρt+ρb+ρl+ρd其中ρt，ρb，ρl和ρd分別代表熱、雜質(zhì)、界面/晶界和位錯(cuò)對(duì)電阻率ρ的貢獻(xiàn)。材料通常利用合金元素的加入以形成多相或固溶體來(lái)強(qiáng)化，但這明顯的增加ρd，ρl或ρb。因此，銅的合金化不可避免的大幅度降低導(dǎo)電性。在室溫時(shí)金屬中位錯(cuò)對(duì)電子散射作用比較小，因此，高密度位錯(cuò)不僅能夠強(qiáng)化導(dǎo)電體材料，同時(shí)使材料的電阻增加也不大。然而，室溫變形時(shí)(295±2k)，由于位錯(cuò)湮滅、恢復(fù)，在純金屬中只能引入有限密度的位錯(cuò)，在變形應(yīng)變達(dá)到一定量時(shí)，變形材料強(qiáng)度達(dá)到飽和值。例如，在變形應(yīng)變小于7時(shí)，變形純銅已不再應(yīng)變硬化(文獻(xiàn)2Cairns等，J.Inst.Metals，1971；9993)。
文獻(xiàn)中已經(jīng)報(bào)道，通過(guò)低溫軋制或擠出，能夠制備出高強(qiáng)度銅。K.Han博士等人(文獻(xiàn)3Hank，Walsh RP，Ishmaku A等，Phil Mag A(哲學(xué)雜志)，2004；843705)在液氮溫度下利用拉拔技術(shù)制備的高密度位錯(cuò)塊體純銅材料，室溫拉伸強(qiáng)度563MPa。相對(duì)于退火銅，導(dǎo)電率僅下降5％。低溫變形限制了位錯(cuò)恢復(fù)、湮滅，允許材料內(nèi)存儲(chǔ)更高密度的位錯(cuò)，導(dǎo)致了材料的高強(qiáng)度。目前文獻(xiàn)報(bào)道的納米晶體或納米孿晶純銅盡管獲得了高的強(qiáng)度，但樣品通常是薄膜而不是塊體(文獻(xiàn)4Legros等，Phil.Mag.A(哲學(xué)雜志)，2000；801017；文獻(xiàn)5Lu L等，Science(科學(xué))，2004；304422)。事實(shí)上無(wú)論是采用加工硬化法還是細(xì)化晶粒等方法，目前制備的塊體銅材料的屈服強(qiáng)度同晶須的屈服強(qiáng)度或材料的理論剪切強(qiáng)度都有相當(dāng)大的差距，這差距為進(jìn)一步提高目前塊體銅的屈服強(qiáng)度提供了可能。
滑移和機(jī)械孿生是塑性變形主要的兩種變形機(jī)制。在一般情況下，滑移比孿生容易，所以形變時(shí)首先發(fā)生滑移。密排六方點(diǎn)陣金屬，由于滑移系小，特別在不利于滑移取向下加力時(shí)會(huì)形變一開(kāi)始就形成孿晶。體心立方金屬在形變速度比較大時(shí)易形成孿晶。面心立方金屬不易出現(xiàn)機(jī)械孿晶，對(duì)于中層錯(cuò)能面心立方金屬銅，通常塑性變形是通過(guò)位錯(cuò)滑移來(lái)協(xié)調(diào)，只有在極低溫度下才會(huì)機(jī)械孿生。孿晶界是晶體學(xué)取向特殊的大角度晶界，界面能比普通大角晶界低。大量實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明，孿晶界與晶界一樣，對(duì)位錯(cuò)具有阻礙作用而強(qiáng)化材料，Lu等的工作表明高密度納米孿晶不僅能夠強(qiáng)化材料而且對(duì)電阻增加的影響也很小。
以上結(jié)果和分析表明，通過(guò)增加材料的位錯(cuò)和孿晶密度，不僅能夠增加材料的強(qiáng)度，而且材料的導(dǎo)電率降低較小。從上述理論出發(fā)，本發(fā)明提出了一種超高強(qiáng)度、高導(dǎo)電率的塊體高密度納米孿晶金屬純銅及其制備方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有超高強(qiáng)度、高導(dǎo)電率的塊體純銅材料及其制備方法。制備的塊體高密度納米孿晶純銅，室溫拉伸屈服強(qiáng)度750MPa左右，比退火純銅材料屈服強(qiáng)度提高10倍以上，導(dǎo)電率相當(dāng)于高導(dǎo)無(wú)氧銅的94％。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明制備的高強(qiáng)度、高導(dǎo)電率塊體純銅材料為具有納米孿晶的塊體純銅材料，厚度和長(zhǎng)度均在1mm以上，室溫拉伸的屈服強(qiáng)度為600-800MPa，室溫電阻率1.72×10-8-1.81×10-8Ω.m，其微觀(guān)結(jié)構(gòu)主要特征是束狀高密度納米(變形)孿晶，平均孿晶層片厚度為20-70納米，長(zhǎng)度100-800納米，孿晶密度為1×107-5×107m2/m3，基體與孿晶內(nèi)部皆有高密度位錯(cuò)存在，位錯(cuò)密度為1×1015-3×1015。
本發(fā)明所述塊體純銅材料厚度可以達(dá)到1-3mm，長(zhǎng)度可以達(dá)到30-50mm。
本發(fā)明超高強(qiáng)度、高導(dǎo)電率塊體純銅制備方法，利用動(dòng)態(tài)高速變形技術(shù)，對(duì)塊體純銅進(jìn)行單方向多次處理。工藝參數(shù)變形應(yīng)變速率范圍102-104s-1；變形應(yīng)變量總變形量大于1.8(計(jì)算方法ϵ=lnH0H>1.8]]>)，ε為變形量，H0為材料變形前厚度，H為材料變形后的厚度；變形溫度30℃至-200℃。
所述總變形量在1.8-3，每次的變形量在0.1-0.6。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1.制備的塊體純銅材料同時(shí)具有高強(qiáng)度和高導(dǎo)電率。本發(fā)明利用高速變形技術(shù)，選擇合適變形應(yīng)變量、變形應(yīng)變速率和變形溫度，在大大低于通常變形溫度的條件下，制備出具有高密度納米孿晶的塊體純銅，室溫拉伸屈服強(qiáng)度750MPa左右，達(dá)到普通退火純銅材料的10倍以上，導(dǎo)電率優(yōu)良，為高導(dǎo)無(wú)氧銅的94％。
2.制備方法簡(jiǎn)單。本發(fā)明利用高速變形技術(shù)，制備方法簡(jiǎn)單，易于控制好變形工藝參數(shù)和變形溫度。對(duì)目前傳統(tǒng)的變形技術(shù)進(jìn)行必要的改進(jìn)，優(yōu)化工藝參數(shù)和變形溫度，即可制備出高強(qiáng)度、高導(dǎo)電率的塊體高密度納米孿晶純銅材料。
3.應(yīng)用性強(qiáng)。純銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，但強(qiáng)度低是其致命弱點(diǎn)，限制了純銅在許多場(chǎng)合的使用。因此，本發(fā)明制備的高強(qiáng)度、高導(dǎo)電率的純銅材料對(duì)迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)及通訊電子行業(yè)具有重要價(jià)值和極大的應(yīng)用空間。


圖1本發(fā)明高強(qiáng)度、高導(dǎo)電率塊體高密度納米孿晶純銅的微觀(guān)結(jié)構(gòu)透射電子顯微鏡照片。
圖2本發(fā)明高強(qiáng)度、高導(dǎo)電率塊體高密度納米孿晶純銅和普通退火粗晶純銅的室溫拉伸曲線(xiàn)。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)實(shí)施例詳述本發(fā)明。
實(shí)施例1利用高速變形技術(shù)制備高強(qiáng)度、高導(dǎo)電率塊體高密度納米孿晶純銅材料；設(shè)備氣動(dòng)式高速變形設(shè)備；變形應(yīng)變速率1×102s-1；變形應(yīng)變量變形量2.3(5次變形，前四次變形每次變形量0.5，第5次0.3)；變形溫度-196℃；純銅材料純度99.95％，經(jīng)700℃退火3小時(shí)，晶粒尺寸150-200微米。
制備出塊體高密度納米尺寸孿晶純銅材料，如圖1，其微觀(guān)結(jié)構(gòu)主要特征是束狀高密度納米機(jī)械孿晶，平均孿晶層片厚度為30-50納米，長(zhǎng)度200-800納米，孿晶密度大約3×107m2/m3。基體與孿晶內(nèi)部皆有高密度位錯(cuò)存在，位錯(cuò)密度為2×1015。使用應(yīng)變速率6×10-3s-1進(jìn)行室溫拉伸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖2，屈服強(qiáng)度768MPa(應(yīng)變量0.2％)，斷裂強(qiáng)度890MPa。測(cè)量得到的室溫電阻率為1.81×10-8Ω.m，導(dǎo)電率是無(wú)氧高導(dǎo)銅的94％。
實(shí)施例2利用高速變形技術(shù)制備高強(qiáng)度、高導(dǎo)電率塊體高密度納米孿晶純銅材料；設(shè)備氣動(dòng)式高速變形設(shè)備；變形應(yīng)變速率1×103s-1；變形應(yīng)變量變形量2(4次變形，每次變形量0.5)；變形溫度-100℃；純銅材料純度99.95％，經(jīng)700℃退火3小時(shí)，晶粒尺寸150-200微米。
制備出塊體高密度納米尺寸孿晶純銅材料，如圖1，其微觀(guān)結(jié)構(gòu)主要特征是束狀高密度納米機(jī)械孿晶，平均孿晶層片厚度為30-50納米，長(zhǎng)度100-600納米，孿晶密度大約1.5×107m2/m3?；w與孿晶內(nèi)部皆有高密度位錯(cuò)存在，位錯(cuò)密度為1.3×1015。使用應(yīng)變速率6×10-3s-1進(jìn)行室溫拉伸實(shí)驗(yàn)，屈服強(qiáng)度600MPa(應(yīng)變量0.2％)，斷裂強(qiáng)度650MPa。測(cè)量得到的室溫電阻率為1.80×10-8Ω.m，導(dǎo)電率是無(wú)氧高導(dǎo)銅的94％。
實(shí)施例3利用高速變形技術(shù)制備高強(qiáng)度、高導(dǎo)電率塊體高密度納米孿晶純銅材料；設(shè)備氣動(dòng)式高速變形設(shè)備；
變形應(yīng)變速率1×104s-1；變形應(yīng)變量變形量2.5(5次變形，每次變形量0.5)；變形溫度-20℃；純銅材料純度99.95％，經(jīng)700℃退火3小時(shí)，晶粒尺寸150-200微米。
制備出塊體高密度納米尺寸孿晶純銅材料，如圖1，其微觀(guān)結(jié)構(gòu)主要特征是束狀高密度納米機(jī)械孿晶，平均孿晶層片厚度為30-50納米，長(zhǎng)度200-800納米，孿晶密度大約1.5×107m2/m3?；w與孿晶內(nèi)部皆有高密度位錯(cuò)存在，位錯(cuò)密度1×1015。使用應(yīng)變速率6×10-3s-1進(jìn)行室溫拉伸實(shí)驗(yàn)，屈服強(qiáng)度650MPa(應(yīng)變量0.2％)，斷裂強(qiáng)度690MPa。測(cè)量得到的室溫電阻率為1.78×10-8Ω.m，導(dǎo)電率是無(wú)氧高導(dǎo)銅的95％。
實(shí)施例4利用高速變形技術(shù)制備高強(qiáng)度、高導(dǎo)電率塊體高密度納米孿晶純銅材料；設(shè)備氣動(dòng)式高速變形設(shè)備；變形應(yīng)變速率1×103s-1；變形應(yīng)變量變形量3(6次變形，每次變形量0.5)；變形溫度20℃；純銅材料純度99.95％，經(jīng)700℃退火3小時(shí)，晶粒尺寸150-200微米。
制備出塊體高密度納米尺寸孿晶純銅材料，如圖1，其微觀(guān)結(jié)構(gòu)主要特征是束狀高密度納米機(jī)械孿晶，平均孿晶層片厚度為30-50納米，長(zhǎng)度200-800納米，孿晶密度大約1×107m2/m3。基體與孿晶內(nèi)部皆有高密度位錯(cuò)存在，位錯(cuò)密度為1×1015。使用應(yīng)變速率6×10-3s-1進(jìn)行室溫拉伸實(shí)驗(yàn)，屈服強(qiáng)度630MPa(應(yīng)變量0.2％)，斷裂強(qiáng)度670MPa。測(cè)量得到的室溫電阻率為1.77×10-8Ω.m，導(dǎo)電率是無(wú)氧高導(dǎo)銅的95％。
采用本發(fā)明所得塊體純銅材料厚度可以達(dá)到1-3mm，長(zhǎng)度可以達(dá)到30-50mm。
權(quán)利要求
1.一種超高強(qiáng)度高導(dǎo)電率塊體純銅材料，其特征在于所述銅材料為具有納米孿晶的塊體純銅材料，厚度和長(zhǎng)度均在1mm以上，室溫拉伸屈服強(qiáng)度為600-800MPa，室溫電阻率1.72×10-8-1.81×10-8Ω.m，其微觀(guān)結(jié)構(gòu)主要特征是束狀高密度納米機(jī)械孿晶，平均孿晶層片厚度為20-70納米，長(zhǎng)度100-800納米，孿晶密度為1×107-5×107m2/m3，基體與孿晶內(nèi)部皆有高密度位錯(cuò)存在，位錯(cuò)密度為1×1015-3×1015。
2.按照權(quán)利要求1所述的超高強(qiáng)度高導(dǎo)電率塊體純銅材料，其特征在于所述塊體純銅材料厚度在1-3mm，長(zhǎng)度在30-50mm。
3.按照權(quán)利要求1所述的超高強(qiáng)度高導(dǎo)電率塊體純銅材料的制備方法，其特征在于利用動(dòng)態(tài)高速變形技術(shù)，對(duì)塊體純銅進(jìn)行單方向多次處理，工藝參數(shù)變形應(yīng)變速率范圍102-104s-1；變形應(yīng)變量總變形量大于1.8，計(jì)算方法ϵ=lnH0H>1.8,]]>ε為變形量，H0為材料變形前厚度，H為材料變形后的厚度；變形溫度30℃至-200℃。
4.按照權(quán)利要求3所述的超高強(qiáng)度高導(dǎo)電率塊體純銅材料的制備方法，其特征在于所述總變形量在1.8-3，每次的變形量在0.1-0.6。
全文摘要
本發(fā)明涉及納米晶體材料的改進(jìn)技術(shù)，特別是一種具有超高強(qiáng)度、高導(dǎo)電率的塊體高密度納米孿晶金屬純銅及其制備方法。塊體純銅材料微觀(guān)結(jié)構(gòu)主要特征是束狀高密度納米機(jī)械孿晶，平均孿晶層片厚度為幾十納米，長(zhǎng)度幾百納米?；w與孿晶內(nèi)部皆有高密度位錯(cuò)存在，其拉伸屈服強(qiáng)度750MPa左右，其電阻率達(dá)到1.81×10
文檔編號(hào)C22F1/08GK1955329SQ20051004755
公開(kāi)日2007年5月2日 申請(qǐng)日期2005年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月26日
發(fā)明者陶乃镕, 李玉勝, 盧柯 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所