專利名稱：一種流延法制備Mg-Cu體系密度梯度材料的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及材料領域，特別是涉及一種流延法制備Mg-Cu體系密度梯度材料的方法。
背景技術：
流延法(也稱括刀成型法)是一種古老的成型方法，最早用于造紙、塑料和油漆工 業(yè)。用于陶瓷材料的制備始于二戰(zhàn)期間，當時是用這種方法制備電介質材料來取代云母制 得性能優(yōu)良的電容器，推動了電子技術的發(fā)展。近幾十年來，流延法成型技術的應用研究取 得了很大進展。作為一種重要的成型方法，它被廣泛用于電子工業(yè)、能源等許多領域，如用 Al2O3制得各種厚度的集成電路基板和襯墊材料，用BaTiO3制得電容器介質材料，用&02制 成固體電解質燃料電池、氧泵和氧傳感器等等。它是一種目前比較成熟的能夠獲得高質量， 超薄型瓷片的成型方法，已被廣泛應用于獨石電容器瓷片，厚膜和薄膜電路基片等先進陶 瓷的生產。流延法最適合大量生產0. 4 1. Omm的基板，具有生產效率高，產品一致性好， 性能穩(wěn)定的優(yōu)點，日、美、德等國已經普遍應用。流延成型的工藝過程將細分散的陶瓷粉料懸浮在由溶劑、增塑劑、粘合劑和懸浮 劑組成的非水基溶液或水基溶液中，成為可塑且能流動的料漿。料漿在刮刀下流過，便在流 延機的運輸帶上形成薄層的流延膜，待溶劑逐漸揮發(fā)后，形成具有一定韌性和強度并且可 以進行裁剪的較為致密的流延膜，似皮革樣柔軟的坯帶，再沖壓出一定形狀的坯體。然后疊 層成素坯，通過排膠和燒結制得符合所需特性要求的燒結塊體。流延法成型工藝的主要優(yōu)點(1)相對于EVD、CVD等化學成型法而言，原材料價格 低廉和制作成本低；(2)與干壓法相比所制得的材料結構致密和機械強度高；(3)材料的缺 陷少；(4)降低熱壓燒結的時間；(5)可制得不同組成膜材構成的疊層復合材料，以滿足對 材料的特殊性能要求。功能梯度材料的主要特征是組分結構和物性參數連續(xù)變化，主要制備方法有粉末 冶金法、平面焊接法、氣相沉積法、自蔓延反應合成、等離子噴涂、電鑄法、電鍍法、激光燒結 和離心鑄造等。這些制備方法要求復雜的工藝或設備，大多需要在制備過程中持續(xù)地改變 原料成分或工藝參數。缺少簡便的制備方法，是限制功能梯度材料進一步發(fā)展的重要原因。流延成型已被廣泛功能梯度材料的制備中，如Al-Mg/&02孔梯度復合材料、金屬 鎳和氧化鋁疊層復合材料、Al2O3-TiC功能梯度材料、陶瓷&02/金屬(不銹鋼)功能梯度材 料(FGM)、PZT功能梯度陶瓷材料。從目前的國內外的文獻看，針對采用流延法制備金屬體系密度梯度材料的過程參數的研究資料和數據非常少，在國內尚屬空白。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種流延法制備Mg-Cu體系密度梯度材料的 方法，該方法工藝簡單、成本低，最重要的是所制備的密度梯度材料具有單層厚度可以達到微米量級、過渡層變化平緩等特點。 本發(fā)明解決其技術問題采用以下的技術方案本發(fā)明提供的流延法制備Mg-Cu體系密度梯度材料的方法，其步驟包括(1)金屬粉非水基流延料漿制備將金屬粉、分散劑、粘結劑、增塑劑及丁酮溶劑 球磨混合，并將球磨完的漿料經除氣泡、過濾后得到金屬粉非水基流延料漿，該料漿中各組 分質量含量為金屬粉40 70%、分散劑0. 6 1. 2%、粘結劑2. 5 3. 5%、增塑劑1. 6 3. 5%、余量為丁酮溶劑，料漿的粘度為1 IOOOOmPa *s，金屬粉為鎂粉、銅粉中的一種或者 二種任意配比的混合粉，該粉粒徑< 300目；(2)流延成型將料漿在流延機上流延成型，在空氣中干燥后制得單組分金屬流 延膜帶；(3)裁剪、疊層重復前面步驟1和步驟2，改變流延料漿中Mg-Cu粉末配比，在空 氣干燥后制備出不同Mg-Cu組分的金屬流延膜片，然后將不同Mg-Cu組分的流延膜片按照 Mg-Cu配比從高至低疊層成密度梯度結構的生坯；(4)排膠、燒結將生坯進行排膠，然后用熱壓燒結工藝制備出Mg-Cu體系密度梯 度材料。上述步驟⑴中，分散劑可以采用Hypermer KD-I。粘結劑可以采用聚乙烯醇縮丁 醛。增塑劑可以采用聚乙二醇和甘油的混合物，聚乙二醇與甘油之間的質量比為1 1。在制備Mg-Cu體系密度梯度材料的過程中，其流延成型步驟為將得到的流延料 漿注入流延機中流延成膜，刮刀高度為0. 2 1. 0mm，流延速度為0. 1 1. 5m/min，流延基 帶為聚酯膜帶，在空氣中干燥后，得到厚度為30 500 μ m的單組分Mg-Cu體系金屬流延 膜。上述步驟(3)中，所述裁剪、疊片步驟為重復上述流延漿體制備和流延成型步 驟，改變流延料漿中Mg-Cu粉末配比，Mg的含量范圍為0 IOOwt. %，在空氣干燥后制備出 不同Mg-Cu組分的金屬流延膜片，然后將不同Mg-Cu組分的流延膜片裁剪成直徑為20-50mm 的生坯片，按照Mg-Cu配比從高至低疊層成梯度結構的生坯。上述步驟(4)中，可以將生坯在氬氣保護氣氛中進行排膠，控制排膠的升溫速率 為0. 2 2V /min，在150°C 450°C保溫1 5h。將排膠好的梯度結構疊片在真空熱壓爐 中燒結，其熱壓燒結工藝為壓力為100MPa-150MPa，燒結溫度為450°C 550°C，升溫速率 為5 10°C /min，保溫1 5h，制備出Mg-Cu體系密度梯度材料。本發(fā)明制備的Mg-Cu體系密度梯度材料，其密度跨度可以從純銅8. 92g/cm3至純 鎂 1. 74g/cm3。本發(fā)明與現有技術相比具有以下主要的優(yōu)點其一.工藝簡單利用現有流延成型設備即可生產，且工藝穩(wěn)定，連續(xù)操作，生產 效率高，自動化水平高，低成本，易于控制。其二.所制備的金屬粉非水基流延料漿具有固相含量高，最高達到70wt%，并且 分散性和穩(wěn)定性好、粘度低，適合流延成型工藝。其三.在制備Mg-Cu體系密度梯度材料過程中，通過控制Mg-Cu的配比可以達到 精確控制其梯度組成，每層的厚度可以達到y(tǒng)m量級。其四.所制備的Mg-Cu密度梯度材料具有致密度高，組分連續(xù)可控，分布更加平緩。其五.適應性強可滿足過渡層更加平緩、分布更加連續(xù)、致密度高的密度梯度材 料的制備要求。


圖1是本發(fā)明的制備工藝流程圖。圖2是純Mg流延料漿的流變曲線圖。圖3是流延成型、干燥后的純Mg流延膜的SEM圖。圖4是流延成型、干燥后的純Cu流延膜的SEM圖。圖5是流延成型、干燥后的Mg-Cu (30wtMg-70wt % Cu)流延膜的SEM圖。
圖6是最終的Mg-Cu體系密度梯度材料的SEM圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供的是一種流延法制備Mg-Cu體系密度梯度材料的方法，具體是利用 分散劑Hypermer KD-I實現金屬粉體在有機溶劑中的良好分散；通過加入聚乙烯醇縮丁醛 作為粘結劑，賦予流延膜一定的強度和韌性；通過加入聚乙二醇(PEG)和甘油作為增塑劑， 使流延膜的柔韌性增大；選擇合適的球磨速度，通過球磨方式均勻分散和混合料漿。把制備 的流延料漿在流延機上流延成型，通過調節(jié)刮刀高度和基帶速度制備所需要密度和厚度的 流延膜。對干燥后的流延膜進行裁剪、疊層，然后對疊層的坯體進行排膠、燒結制備出所需 要的密度梯度材料。下面結合實施例進一步闡明本發(fā)明的內容，但本發(fā)明的內容不僅僅局限于下面的 實施例。實施例1 如圖1所示，Mg-Cu體系密度梯度材料的制備方法，它包括如下步驟1)流延料漿的制備各原料所占質量百分數為粒徑為300目的鎂粉的固相含量 為40%，分散劑Hypermer KD-I 0. 6%，粘結劑聚乙烯醇縮丁醛3. 5%，增塑劑聚乙二醇和 甘油1. 60%，溶劑54. 3%;將溶劑、分散劑Hypermer KD_l、Mg粉、粘結劑和增塑劑放入尼龍 球磨罐中，以氮化硅為球磨介質(氮化硅球)，球料比為1 1，在球磨機上進行球磨混合6 小時，得到混合漿料；將球磨后的混合漿料除氣(使用小型脫泡機進行真空抽濾)、過濾后， 即得到純Mg粉非水基流延料漿，其流變性能如圖2所示，粘度隨著轉速基本不變，說明料漿 穩(wěn)定性和分散性好。2)流延成型將步驟1)中得到的純Mg粉料漿注入流延機中，調整刮刀高度為 1.0mm，流延速度為0. lm/min，流延成膜的料漿在空氣中自然揮發(fā)干燥，在聚酯膜帶中獲得 了 500um的純Mg流延膜，其微觀結構如圖3的SEM照片所示，金屬顆粒分布均勻，堆積緊密。3)裁剪、疊片改變Mg-Cu混合粉的Mg粉和銅粉的質量比，重復步驟1)和步驟2)，獲得純銅到純鎂的不同組分的Mg-Cu流延膜，其中純銅和30wtMg-70wt% Cu的流延膜的微 觀結構如圖4和圖5所示；將流延膜裁剪成直徑20mm的圓片，將相同直徑的圓片根據含量 從高到低的順序疊加起來，獲得純銅至純鎂的梯度結構薄膜坯片。4)排膠、燒結將疊好的梯度結構薄膜坯體放在模具中，通入氬氣，以0. 2°C /min 的升溫速度升至150°C，保溫5小時；將排膠完的梯度結構薄片放入真空熱壓爐中，將壓力升至lOOMPa，以5°C /min的升溫速度升至450°C，保溫1小時后，自然降溫，獲得了致密度 高、過渡層均勻、密度跨度為純銅(8.92g/cm3)至純鎂(1.74g/cm3)的Mg-Cu體系密度梯度 材料，密度梯度材料的顯微結構如圖6所示。實施例2 如圖1所示，Mg-Cu體系密度梯度材料的制備方法，它包括如下步驟1)流延料漿的制備各原料所占質量百分數為粒徑為300目的Mg粉的固相含量為70%,分散劑Hypermer KD-I的含量為1.2%，粘結劑聚乙烯醇縮丁醛3.5%，增塑劑聚乙 二醇和甘油3. 5%，溶劑21. 8% ；將溶劑、分散劑Hypermer KD-I、Mg粉、粘結劑和增塑劑放 入尼龍球磨罐中，以氮化硅為球磨介質(氮化硅球)，球料比為1 1，在球磨機上進行球磨 混合48小時，得到混合漿料；將球磨后的混合漿料除氣(使用小型脫泡機進行真空抽濾)、 過濾后，即得到純Mg粉非水基流延料漿。2)流延成型將步驟1)中得到的純Mg粉料漿注入流延機中，調整刮刀高度為 0. 2mm，流延速度為1. 5m/min，流延成膜的料漿在空氣中自然揮發(fā)干燥，在聚酯膜帶中獲得 了 30um的純Mg流延膜。3)裁剪、疊片改變Mg-Cu混合粉的Mg粉和銅粉的質量比，重復步驟1)和步驟2)， 獲得純銅到純鎂的不同組分的Mg-Cu流延膜；將流延膜裁剪成直徑50mm的圓片，將相同直 徑的圓片根據含量從高到低的順序疊加起來，獲得純銅至純鎂的梯度結構薄膜坯片。4)排膠、燒結將疊好的梯度結構薄膜坯體放在模具中，通入氬氣，以2V Mn的 升溫速度升至450°C，保溫1小時；將排膠過的梯度結構薄片放入真空熱壓爐中，將壓力升 至150MPa，以10°C /min的升溫速度升至550 V，保溫5小時后，自然降溫，獲得了致密度高、 過渡層均勻、密度跨度為純銅(8.92g/cm3)至純鎂(1.74g/cm3)的Mg-Cu體系密度梯度材 料。實施例3 如圖1所示，Mg-Cu體系密度梯度材料的制備方法，它包括如下步驟1)流延料漿的制備各原料所占質量百分數為粒徑為300目的鎂粉的固相含量 為50 %，分散劑Hypermer KD-I的含量為1.0%，粘結劑聚乙烯醇縮丁醛3.0%，增塑劑聚乙 二醇和甘油3.0%，溶劑43% ；將溶劑、分散劑Hypermer KD-1、Mg粉、粘結劑和增塑劑放入 尼龍球磨罐中，以氮化硅為球磨介質(氮化硅球)，球料比為1 1，在球磨機上進行球磨混 合48小時，得到混合漿料；將球磨后的混合漿料除氣(使用小型脫泡機進行真空抽濾)、過 濾后，即得到純Mg粉非水基流延料漿。2)流延成型將步驟1)中得到的純Mg粉料漿注入流延機中，調整刮刀高度為 0. 2mm，流延速度為1. 5m/min，流延成膜的料漿在空氣中自然揮發(fā)干燥，在聚酯膜帶中獲得 了純Mg流延膜。3)裁剪、疊片改變Mg-Cu混合粉的Mg粉和銅粉的質量比，重復步驟1)和步驟2)， 獲得90wt% Cu-IOwt% Mg到純鎂的不同組分的Mg-Cu流延膜；將流延膜裁剪成直徑50mm 的圓片，將相同直徑的圓片根據含量從高到低的順序疊加起來，獲得90wt% Cu-IOwt% Mg 至IOOwt % Mg的梯度結構薄膜坯片。4)排膠、燒結將疊好的梯度結構薄膜坯體放在模具中，通入氬氣，以2V Mn的 升溫速度升至450°C，保溫1小時；將排膠過的梯度結構薄片放入真空熱壓爐中，將壓力升 至150MPa，以10°C /min的升溫速度升至550°C，保溫1小時后，自然降溫，獲得了致密度高、 過渡層均勻、密度跨度為90wt% Cu-IOwt % Mg (6. 31g/cm3)至純鎂(1. 74g/cm3)的Mg-Cu體系密度梯度材料。實施例4 如圖1所示，Mg-Cu體系密度梯度材料的制備方法，它包括如下步驟1)流延料漿的制備各原料所占質量百分數為粒徑為300目的銅粉的固相含量為40 %，分散劑Hypermer KD-I的含量為0.6%，粘結劑聚乙烯醇縮丁醛3.5%，增塑劑聚乙 二醇和甘油3. 5%，溶劑52. 4% ；將溶劑、分散劑Hypermer KD-UMg粉、粘結劑和增塑劑放 入尼龍球磨罐中，以氮化硅為球磨介質(氮化硅球)，球料比為1 1，在球磨機上進行球磨 混合48小時，得到混合漿料；將球磨后的混合漿料除氣(使用小型脫泡機進行真空抽濾)、 過濾后，即得到純銅粉非水基流延料漿。2)流延成型將步驟1)中得到的純Mg粉料漿注入流延機中，調整刮刀高度為 0. 2mm，流延速度為1. 5m/min，流延成膜的料漿在空氣中自然揮發(fā)干燥，在聚酯膜帶中獲得 了純銅流延膜。3)裁剪、疊片改變Mg-Cu混合粉的Mg粉和銅粉的質量比，重復步驟1)和步驟 2)，獲得純銅到30wt% Cu-70wt% Mg的不同組分的Mg-Cu流延膜；將流延膜裁剪成直徑 50mm的圓片，將相同直徑的圓片根據含量從高到低的順序疊加起來，獲得純銅到30wt% Cu-70wt% Mg的梯度結構薄膜坯片。4)排膠、燒結將疊好的梯度結構薄膜坯體放在模具中，通入氬氣，以2V Mn的 升溫速度升至450°C，保溫1小時；將排膠過的梯度結構薄片放入真空熱壓爐中，將壓力升 至150MPa，以10°C /min的升溫速度升至550°C，保溫1小時后，自然降溫，獲得了致密度高、 過渡層均勻、密度跨度為純銅(8. 92g/cm3)至30wt% Cu-70wt% Mg (2. 29g/cm3)的Mg-Cu體 系密度梯度材料。上述實施例2-4中，其制備的純Mg粉非水基流延料漿的流變性能可以參見圖2，其 制備的純Mg流延膜的微觀結構可以參見圖3，其制備的Mg-Cu流延膜的微觀結構可以參見 圖4和圖5，其制備的Mg-Cu體系密度梯度材料的顯微結構可以參見圖6。圖6中，左邊為 鎂結構，右邊為銅結構。本發(fā)明所列舉的各原料都能實現本發(fā)明，以及各原料的上下限取值、區(qū)間值都能 實現本發(fā)明，本發(fā)明的工藝參數的上下限取值以及區(qū)間值都能實現本發(fā)明，在此不一一列 舉實施例。
權利要求
一種流延法制備Mg-Cu體系密度梯度材料的方法，其特征是采用包括以下步驟的方法(1)金屬粉非水基流延料漿制備將金屬粉、分散劑、粘結劑、增塑劑及丁酮溶劑球磨混合，并將球磨完的漿料經除氣泡、過濾后得到金屬粉非水基流延料漿，該料漿中各組分質量含量為金屬粉40～70％、分散劑0.6～1.2％、粘結劑2.5～3.5％、增塑劑1.6～3.5％、余量為丁酮溶劑，料漿的粘度為1～10000mPa·s，金屬粉為鎂粉、銅粉中的一種或者二種任意配比的混合粉，該粉粒徑≤300目；(2)流延成型將料漿在流延機上流延成型，在空氣中干燥后制得單組分金屬流延膜帶；(3)裁剪、疊層重復前面步驟1和步驟2，改變流延料漿中Mg-Cu粉末配比，在空氣干燥后制備出不同Mg-Cu組分的金屬流延膜片，然后將不同Mg-Cu組分的流延膜片按照Mg-Cu配比從高至低疊層成密度梯度結構的生坯；(4)排膠、燒結將生坯進行排膠，然后用熱壓燒結工藝制備出Mg-Cu體系密度梯度材料。
2.如權利要求1所述的流延法制備Mg-Cu體系密度梯度材料的方法，其特征是所述的 分散劑采用Hypermer KD-1。
3.如權利要求1所述的流延法制備Mg-Cu體系密度梯度材料的方法，其特征是所述的 粘結劑采用聚乙烯醇縮丁醛。
4.如權利要求1所述的流延法制備Mg-Cu體系密度梯度材料的方法，其特征是所述的 增塑劑采用聚乙二醇和甘油的混合物，聚乙二醇與甘油之間的質量比為1 1。
5.如權利要求1所述的流延法制備Mg-Cu體系密度梯度材料的方法，其特征是流延成 型步驟為將得到的流延料漿注入流延機中流延成膜，刮刀高度為0. 2 1. 0_，流延速度 為0. 1 1. 5m/min，流延基帶為聚酯膜帶，在空氣中干燥后，得到厚度為30 500 μ m的單 組分Mg-Cu體系金屬流延膜。
6.如權利要求1所述的流延法制備Mg-Cu體系密度梯度材料的方法，其特征是裁剪、疊 片步驟為重復流延漿體制備和流延成型步驟，改變流延料漿中Mg-Cu粉末配比，Mg的含量范圍 為0 IOOwt. %，在空氣干燥后制備出不同Mg-Cu組分的金屬流延膜片，然后將不同Mg-Cu 組分的流延膜片裁剪成直徑為20-50mm的生坯片，按照Mg-Cu配比從高至低疊層成梯度結 構的生坯。
7.如權利要求1所述的流延法制備Mg-Cu體系密度梯度材料的方法，其特征是將生坯 在氬氣保護氣氛中進行排膠，控制排膠的升溫速率為0. 2 2V /min，在150°C 450°C保 溫1 5h。
8.如權利要求1或7所述的流延法制備Mg-Cu體系密度梯度材料的方法，其特征是將 排膠好的梯度結構疊片在真空熱壓爐中燒結，其熱壓燒結工藝為壓力為100MPa-150MPa， 燒結溫度為450°C 550°C，升溫速率為5 10°C /min，保溫1 5h，制備出Mg-Cu體系密 度梯度材料。
9.如權利要求8所述的流延法制備Mg-Cu體系密度梯度材料的方法，其特征是該 Mg-Cu體系密度梯度材料的最大密度跨度從純銅8. 92g/cm3至純鎂1. 74g/cm3。
全文摘要
本發(fā)明涉及流延法制備Mg-Cu體系密度梯度材料的方法，該方法包括金屬粉非水基流延料漿、流延成型、裁剪、疊層，以及將生坯進行排膠和用熱壓燒結步驟，其中所述料漿中各組分質量含量為金屬粉40～70％、分散劑0.6～1.2％、粘結劑2.5～3.5％、增塑劑1.6～3.5％、余量為丁酮溶劑，料漿的粘度為1～10000mPa·s，金屬粉為鎂粉、銅粉中的一種或者二種任意配比的混合粉，該粉粒徑≤300目。該方法工藝簡單、成本低，最重要的是所制備的Mg-Cu體系密度梯度材料的單層厚度可以達到μm量級、密度變化平緩、過渡層光滑連續(xù)的特點。
文檔編號B22F3/22GK101817083SQ201010143559
公開日2010年9月1日 申請日期2010年4月6日 優(yōu)先權日2010年4月6日
發(fā)明者張聯盟, 李君 , 李美娟, 沈強, 王傳彬, 羅國強 申請人:武漢理工大學