水熱法制備氧化鋯增強銅基復合粉體的研究

劉民偉

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

【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.

【關鍵詞】水熱法；氧化鋯；銅基復合材料

【Keywords】hydrothermal method； zirconia； copper matrix composites

【中圖分類號】TQ016 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）05-0184-02

1 引言

目前，國內外銅基復合材料研究的重點在于其高強度、高導電、耐熱性以及高耐磨性，近年來雖然也取得了一定的成果，但是仍存在很多問題。選擇合適的增強相是制備銅基復合材料最大的難點，在所有的金屬氧化物中，氧化鋯的高溫熱穩定性最好，又擁有與金屬材料較為接近的熱膨脹系數，再加上氧化鋯的相變增韌等特性，以及良好的機械性能和熱物理性能，使之成為金屬基復合材料中性能優異的增強相[1]。本課題采用了水熱法制備氧化鋯質量分數為10%的銅基復合材料，并對基體與增強相之間的結合形式進行分析。

2 實驗方法

2.1 實驗原料及性質

實驗所用原料：ZrOCl2·8H2O、CuSO4·5H2O、氫氧化鈉、蒸餾水。

2.2 實驗器材

鐵架臺、漏斗、250ml玻璃燒杯兩個、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 化學反應式

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 實驗設計

①根據化學方程式計算出，制作氧化鋯質量分數為10%的銅基復合粉末所需氧氯化鋯和硫酸銅的重量，并分別溶解于兩個玻璃燒杯中。

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，并用玻璃棒充分攪拌，用pH試紙測量pH值，直至pH>9時停止滴加氫氧化鈉，并靜置兩小時，以保證反應充分進行。

④把靜置后的溶液進行過濾，將過濾出來的沉淀進行初步干燥，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，充分干燥后，再在400℃下灼燒兩小時，這樣就得到了ZrO2、CuO復合粉末。

⑥混合粉末用H2在500℃下還原，得到ZrO2、Cu復合粉末。

3 實驗結果與分析

由表格中的數據可知試樣中的主要元素為Cu，同時含有少量的Zr和微量的S，并且經計算，ZrO2的含量為8.3%，接近10%，所以，試樣是以Cu為基體，以ZrO2為第二相增強體，復合粉體是ZrO2顆粒彌散強化的Cu基復合材料，亞微米ZrO2顆粒均勻地分布在Cu基體上。并且通過EDS分析可知，增強相ZrO2與基體Cu的界面處沒有生成新的化合物，也沒有析出相，可以確定界面結合方式為原子直接結合，這種界面結合方式與其他方式相比具有極大的穩定性。

圖3-2是一張典型的ZrO2/Cu復合粉末的電子掃描顯微鏡照片。在圖片中黑色部分是導電膠，白色毛刺狀不規則球形物質是銅基質，其平均尺寸在1μm左右，其表面的顆粒物是第二相增強體ZrO2顆粒，在基質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，絕大多數近似球體，也有一小部分是不規則毛刺狀，這種現象的存在是因為用氫氣還原CuO的時候，還原溫度和加熱時間的不同造成的，還原溫度高、加熱時間長，會使基體顆粒增大，出現燒結現象，這樣就形成了毛刺狀不規則顆粒。采用低溫還原氧化銅可以消除還原時銅粉顆粒的團聚；提高還原溫度，可大大縮短還原過程的時間，但是，當超過一定還原溫度時，就會引起顆粒的急劇長大或者局部團簇的燒結[2]。

通過研究放大10000倍和20000倍的ZrO2/Cu復合材料的顯微結構，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了少量的ZrO2團聚現象，據分析這種現象跟增強相ZrO2與基體銅的潤濕性有關，雖然原位化學制備工藝可以在一定程度上解決基體與增強相的浸潤不良問題，但是由于增強相ZrO2的尺寸較小，一般屬于納米級的，所以在現實中不可避免地會出現增強相的團聚現象。

4 結論

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

②ZrO2/Cu復合材料的界面是原子直接結合，沒有反應物生成，也沒有任何析出相，界面平整、清潔，結合強度高。

③ ZrO2/Cu復合材料基體與增強體具有較好的潤濕性，有利于高強度界面的產生，并且可以減弱ZrO2顆粒的團聚現象。

【參考文獻】

【1】于化順.金屬基復合材料及其制備技術[M].北京：化學工業出版社，2006.

【2】丁儉，趙乃勤，師春生，等. 不同還原參數對ZrO2/Cu復合材料的影響[A].復合材料——基礎、創新、高效：第十四屆全國復合材料學術會議論文集（下）[C].2006.