1.5 本研究工作内容及意义
1.5.1 研究意义
弥散强化铜基复合材料是近年来发展起来的新型功能结构材料，它兼备高强度、高电导率及良好的高温性能，具有十分重要的生产意义和广阔的发展前景。弥散强化是目前唯一能获得高温强度的高导电材料的方法，与20 世纪70 年代刚刚问世相比，它的应用领域已不限于点焊电极单一范围，已拓宽到航空航天、核能和信息微电子等高技术领域，但从应用的量方面分析还极其有限，还没有充分发挥弥散强化材料本身高温强度和高导电的独特优势。随着全球科技创新能力和竞争力的提升，弥散强化材料包括弥散强化铜材料大规模应用有望在空间技术、国防装备、信息化手段高速机车领域取得突破[26]。为克服传统工艺制备的颗粒增强铜基复合材料增强颗粒浸润性不良及分散性不均的问题，同时为探索新的增强相以进一步提高铜基复合材料的综合性能，本课题采用溶胶-凝胶结合粉末冶金技术制备纳米掺杂SnO2/Cu纳米复合材料。通过细化增强相颗粒尺寸、提高增强相在基体中分散的均匀性、改良增强相本身导电性及其与基体润湿性、优化增强相与基体的界面微结构，使得这种新型纳米复合材料在尽量保持其高导电导热的基础上能够进一步提高其强度、硬度等性能。 1.5.2 课题主要内容
（1）采用溶胶-凝胶工艺制备TiO2掺杂纳米SnO2，采用粉末冶金法制备SnO2/Cu纳米复合材料。
（2）研究SnO2颗粒纳米掺杂的机理及实现物理性能提高的机理。 （3）优化溶胶-凝胶制粉，样品的粉末冶金制备工艺。
（4）系统考察纳米掺杂SnO2/Cu纳米复合材料的密度、电导率、硬度等性能。 （5）研究纳米掺杂SnO2/Cu复合材料的微观组织、界面微结构。
2 实验所用材料、设备及实验方法
2.1 实验原材料
2.1.1 基体材料
实验所用基体材料为-200目电解铜粉，如图2.1所示，由图可见电解铜粉末呈树枝状，在压制过程中机械啮合效果好，压紧后颗粒联结增强成形性好，有利于高压力压
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坯的强度和密度，另外由于颗粒的表面积较大，可以缩短烧结时间[27]。
图2.1 材料制备用原材料：电解铜粉末
Fig 2.1 Raw materials for the fabrication of specimens：electrolytic copper powder
纯铜的基本特性如下：质地坚韧，有延展性；热导率和电导率都很高；熔点1083.4℃，沸点2567℃，密度8.9g/cm3。在20oC时，热导率是397w/m·k，电阻率是1.6730×10-6Ω?cm，电导率是银的94%，具有顺磁性。铜的机械性能与物理状态有关，也受温度和晶粒大小的影响。热轧铜抗拉强度为220.5N/mm2，屈服强度为69N/mm2，伸长率45%；冷轧铜断面减缩70%后抗拉强度增加到约393N/mm2，伸长率降至4%。2.1.2 纳米粉制备所用原料
所用实验原料如表2.1所示。
表2.1实验用化学药品
Table 2.1 Chemical medicines used in the experiment
药品名称 无水乙醇（分析
纯） 氨水分析纯 氯化钛（液体） 聚乙二醇-20000 四氯化锡(分析
纯)
分子式/示性式 CH3CH2OH NH3 TiCl4 HO(CH2CH2O)nH SnCl4·5H2O
分子量 46.07 17.03 189.68 平均分子量17000 350.52
规格 含量不少于 99.7% 25%～28%（质量百分比） 含量不少于99.0%
―― 含量不少于 99.0%
生产厂家 天津市河东区红岩试剂厂 天津市化学试剂三厂 天津市光复精细化工研究所 天津市光复精细化工研究所 天津市光复精细化工研究所
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2.2 实验仪器及设备
2.2.1 材料制备用仪器与设备
材料制备用仪器与设备包括：2003-10型恒温磁力搅拌机、OHAUS 电子天平、低速离心机（TD4B）、KQ5200DB型数控超声清洗仪、SK-4-10 型管式电阻炉、箱式炉、200吨的TYE-2000B 型压力试验机、自制压制模具一套、烧杯、量筒、温度计、玻璃棒、滴管、另外，还用到药匙一只、滤纸、脱脂棉、试样袋、研钵等。
（a）
zc x
(b)
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(c)
图2.2 材料制备所用设备（a）SK-4-10型管式电阻炉管 (b) 自制压制模具
(c)TYE-2000型压力机
Fig. 2.2 Apparatus for the fabrication of specimens: (a) tubular furnace (type: SK-4-10) (b) self-made pressing mould
（c）hydraulic machine （TYE-2000B）
2.2.2 材料性能测试用仪器与设备
（1）纳米粉前驱体及纳米粉体的观测用设备
示差扫描量热仪，Philips XL30 型扫描电镜，D8FOCUS 粉末X射线衍射仪 （2）复合材料制样
DK77系列电火花数控线切割机床、不同型号砂纸、抛光机、KQ5200DB型数控超声清洗仪 （3）密度的测量
OHAUS 电子天平、25ml烧杯一个 （4）硬度测量
采用HXD-1000 型维氏硬度计 （5）电导率的测量
FQR7501型涡流导电仪 （6）显微结构形貌分析
Philips XL30 型扫描电镜、OLYMPUS金相显微镜
2.3 实验方法
2.3.1 纳米粉的制备
本试验以SnCl4?5H2O ，TiCl4为原料，聚乙二醇－20000（PEG－20000）为改性
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剂，通过溶胶－凝胶法制备TiO2掺杂纳米SnO2粉末，实验流程如下图：
醇-水溶液 PEG SnCl4·5H2O+TiCl4 初始溶液 搅拌 凝胶 加入NH3·H2O 调PH值 洗涤 干燥煅烧 纳米粉体 图2.3纳米SnO2粉末制备流程图
Fig 2.3 A flow chart of the fabrication of nano- SnO2 powders
（1）称取SnCl4?5H2O粉末，同时配制体积比为3:2的乙醇蒸馏水溶液。 （2）将SnCl4?5H2O溶于乙醇蒸馏水溶液中，配制成一定摩尔浓度的溶液，并置于磁力搅拌机平台上搅拌使其均匀。
（3）用滴管取定量的TiCl4液体（注意TiCl4具有挥发性）（其他均为固体，称取后加入上述溶液），后向溶液中加入少量聚乙二醇－20000作为分散剂。
（4）温度升至70°C后，保温搅拌30分钟，同时配置足量的稀释30%氨水（NH3） （5）搅拌均匀，即溶液澄清后开始滴加氨水，开始时有白色沉淀产生，但很快溶解。随着氨水的加入，沉淀溶解的速度越来越慢，这时滴加氨水的速度要慢，并注意测量PH值。溶液将要变成胶体时由澄清变得混浊，再滴加氨水1－2滴，溶液立刻变成胶状。
（6）溶液全部变为溶胶后测量它的PH值为4－5，并滴至PH为8。
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