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CN110802892A - 一种表面沉积铜原子的多层铝/铜复合板叠制方法 - Google Patents

一种表面沉积铜原子的多层铝/铜复合板叠制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种表面沉积铜原子的多层铝/铜复合板叠制方法，在原始铝板表面上电镀铜，得镀铜铝板；表面处理镀铜铝板和铝板后，交替间隔堆叠，第一层为铝板，形成叠合板材，捆扎固定，均匀预热；热轧得初次轧制铝板‑镀铜铝板复合板；保温初次轧制铝板‑镀铜铝板复合板，得热扩散后复合板；切割成板材，两块板材去污后叠合，捆扎，再多次重复切割、叠合、轧制过程，制得表面沉积铜原子的多层铝/铜复合板。该叠制方法通过多次叠加多次轧制的方法，使铜在铝基体中均匀分布，界面结合良好，提高铝铜界面结合强度，从而增强材料力学性能。

Description

一种表面沉积铜原子的多层铝/铜复合板叠制方法
技术领域
本发明属于金属复合材料制备技术领域，涉及一种表面沉积铜原子的多层铝/铜复合板叠制方法。
背景技术
作为一种工业、航空航天常用材料，铝有许多突出的特点，例如金属密度小、重量轻、延展性好、可塑性强、弹性系数小；铜具有优异的延展性、导热性、导电性，故其是电缆、电气、电子元件最常用的材料；另外铜也经常被用于电镀。
铝板表面电镀铜可以得到以原子方式结合的附着力强、均匀性好的铜层；该种方法得到的铜层的均匀性是其他方法所不及的，而均匀性的提高会进一步优化材料的力学性能。通过调控组合层数以及镀铜层的厚度，可以制备出适应多种特殊应用领域的铝铜复合板材。然而，通过调控铜层的厚度，会影响铝铜界面的结合以及复合板的力学性能，所以镀层厚度的调控有待进一步研究。
专利《一种制备极薄高性能多层铜/铜铝金属间化合物/铝复合箔材的方法》（专利号ZL201810938113.4）公开了一种通过轧制工艺制备而成的多层铜/铜铝金属间化合物/铝复合箔材。但是该方法中铜在铝基体中势必分布不均匀，且铝铜界面结合强度低仅约为40～45MPa，从而影响材料力学性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种表面沉积铜原子的多层铝/铜复合板叠制方法，解决了现有制备方法中复合板材界面分布不均匀、界面结合强度低以及力学性能不理想的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种表面沉积铜原子的多层铝/铜复合板叠制方法，其流程图，如图1所示，该叠制方法具体按以下步骤进行：
1）通过电镀工艺使铜原子均匀沉积在厚度为1～2mm处理后的原始铝板表面，得镀铜铝板；
原始铝板的处理：丙酮清洗原始铝板，用钢丝直径为0.1～0.2mm的不锈钢刷除去原始铝板表面的氧化膜，随后依次用800#砂纸、1000#砂纸、2000#砂纸对原始铝板表面进行打磨，然后在超声波清洗机中用乙醇水溶液清洗，吹干。
电镀工艺为：将表面处理后的原始铝板放入电镀液中，室温下，在电流2A/dm2、电压1～5V的条件下，电镀5～60min；每升电镀液中含有20mL的H2SO4和240g的CuSO4·5H2O。
2）将镀铜铝板和厚度为1～2mm的铝板进行表面处理，然后，将表面处理后的铝板和镀铜铝板交替间隔堆叠，堆叠顺序依次为铝板-镀铜铝板-铝板-镀铜铝板-铝板，共堆叠5～9层，形成叠合板材，在叠合板材上钻直径为1～3mm的孔，在孔中穿入直径1mm的细钢丝，对叠合板材进行捆扎固定，置于电阻炉中在300～400℃的温度下均匀预热10～15min；
铝板表面处理：沿铝板待轧制方向用钢丝直径为0.1～0.2mm的不锈钢刷打磨除去表面氧化膜，随后用乙醇水溶液擦洗，吹干。
镀铜铝板表面处理：用乙醇水溶液擦洗表面残留镀液污渍、吹干。
3）将预热后的叠合板材进行热轧，热轧的工艺条件为：压下率58～60%、轧制速度10r/min，得到初次轧制铝板-镀铜铝板复合板；
4）将初次轧制铝板-镀铜铝板复合板置于电阻炉中，在250～300℃的温度下保温5～20h，进行热扩散处理，得热扩散后复合板；
进行热扩散处理是为了促进铝板与镀铜铝板界面充分反应，以获得良好的界面结合强度，从而提高材料的综合性能。
5）将热扩散后复合板在垂直轧制方向上沿中线切割为二，形成板材，分别对两块板材进行表面去污处理，然后将去污处理后的两块板材叠合，捆扎固定，之后，在压下率58～60%、轧制速度10r/min条件下进行轧制，得到二次轧制铝板-镀铜铝板复合板；
6）对二次轧制铝板-镀铜铝板复合板重复步骤5），得到三次轧制铝板-镀铜铝板复合板；对三次轧制铝板-镀铜铝板复合板重复步骤5），得到四次轧制铝板-镀铜铝板复合板；对四次轧制铝板-镀铜铝板复合板重复步骤5），得到五次轧制铝板-镀铜铝板复合板；对五次轧制铝板-镀铜铝板复合板重复步骤5），得到六次轧制铝板-镀铜铝板复合板；对六次轧制铝板-镀铜铝板复合板重复步骤5），制得表面沉积铜原子的多层铝/铜复合板。
通过电镀使得铝板表面均匀的沉积铜原子且铜原子与铝板表面结合较好。将表面去污处理的铝板与镀铜铝板堆叠后在一定温度下进行轧制，然后重复进行相同的工艺反复堆叠、轧制；经过大塑性变形材料的组织得到细化且铜原子分布更加细小均匀，从而使得材料性能大幅度提高。
本发明叠制方法通过多次叠加多次轧制的方法，使铜在铝基体中均匀分布，界面结合良好，结合强度为50～60MPa，铝铜界面结合强度有明显的提高，从而增强材料力学性能。该叠制方法低成本、高效率，制备工艺要求及操作流程较为简单。
附图说明
图1是本发明叠制方法的工艺流程示意图。
图2是本发明叠制方法中镀铜铝板的制备过程示意图。
图3是图2所示制备过程中在铝板上镀铜的原理图。
图4是初次轧制铝板-镀铜铝板复合板、二次轧制铝板-镀铜铝板复合板以及四次轧制铝板-镀铜铝板复合板的工程应力应变曲线图。
图5是本发明叠制方法制得的表面沉积铜原子的多层铝/铜复合板的组织分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
实施例1
取厚度为1mm的原始铝板，丙酮清洗，再用钢丝直径为0.2mm的不锈钢刷除去原始铝板表面的氧化膜，随后依次用800#砂纸、1000#砂纸、2000#砂纸对原始铝板表面进行打磨，再在超声波清洗机中用乙醇水溶液清洗，吹干，将表面处理后的原始铝板放入电镀液中，室温下，在电流2A/dm2、电压1V的条件下，电镀1h，如图2所示；每升电镀液中含有20mL的H2SO4和240g的CuSO4·5H2O；通过电镀使铜原子均匀沉积在处理后的原始铝板表面，见图3，得镀铜铝板；沿厚度为2mm的铝板待轧制方向用钢丝直径为0.2mm的不锈钢刷打磨除去铝板表面的氧化膜，再用乙醇水溶液擦洗，吹干。用乙醇水溶液擦洗镀铜铝板表面残留镀液污渍，吹干。然后，将表面处理后的铝板和镀铜铝板交替间隔堆叠，堆叠顺序为铝板-镀铜铝板-铝板-镀铜铝板-铝板，共堆叠5层，形成叠合板材，在叠合板材上钻直径为3mm的孔，在孔中穿入直径为1mm的细钢丝，对叠合板材进行捆扎固定，置于电阻炉中在400℃的温度下均匀预热10min后，进行热轧，热轧的工艺条件为：压下率58%、轧制速度10r/min，得到初次轧制铝板-镀铜铝板复合板；将初次轧制铝板-镀铜铝板复合板置于电阻炉中，在300℃的温度下保温20h，进行热扩散处理，得热扩散后复合板；将热扩散后复合板在垂直轧制方向上沿中线切割为二，形成板材，分别对两块该板材进行表面去污处理，然后将去污处理后的两块板材叠合，捆扎固定，之后，在压下率58%、轧制速度10r/min条件下进行轧制，得到二次轧制铝板-镀铜铝板复合板；在压下率58%、轧制速度10r/min条件下轧制二次轧制铝板-镀铜铝板复合板，得三次轧制铝板-镀铜铝板复合板；在压下率58%、轧制速度10r/min条件下轧制三次轧制铝板-镀铜铝板复合板，得四次轧制铝板-镀铜铝板复合板；在压下率58%、轧制速度10r/min条件下轧制四次轧制铝板-镀铜铝板，得五次轧制铝板-镀铜铝板复合板；在压下率58%、轧制速度10r/min条件下轧制五次轧制铝板-镀铜铝板复合板，得六次轧制铝板-镀铜铝板复合板；在压下率58%、轧制速度10r/min条件下轧制六次轧制铝板-镀铜铝板复合板，制得表面沉积铜原子的多层铝/铜复合板。
实施例1制得的初次轧制铝板-镀铜铝板复合板、二次轧制铝板-镀铜铝板复合板以及四次轧制铝板-镀铜铝板复合板的工程应力应变曲线图，如图4所示。从图4可以看出，初次轧制铝板-镀铜铝板复合板的抗拉强度为121.13Mpa，二次轧制铝板-镀铜铝板复合板的抗拉强度为137.15Mpa，四次轧制铝板-镀铜铝板复合板的抗拉强177.42Mpa；由此可知随着堆叠次数的增加复合板的抗拉强度也增加。
实施例1制得的表面沉积铜原子的多层铝/铜复合板的组织分布图，如图5，从图中可以看出，初次轧制铝板-镀铜铝板复合板中（图5a），铜在基体中大部分尺寸较大；二次轧制铝板-镀铜铝板复合板中（图5b），铜在基体中尺寸有所减小；四次轧制复合板中铜在基体中（图5c），铜的尺寸减小为颗粒状且分布较均匀。因此随着堆叠轧制次数的增加铜的尺寸也随之减小且分布也更加均匀。
实施例2
取厚度为2mm的原始铝板，丙酮清洗，再用钢丝直径为0.1mm的不锈钢刷除去原始铝板表面的氧化膜，随后依次用800#砂纸、1000#砂纸、2000#砂纸对原始铝板表面进行打磨，再在超声波清洗机中用乙醇水溶液清洗，吹干，将表面处理后的原始铝板放入电镀液中，室温下，在电流2A/dm2、电压5V的条件下，电镀8min；每升电镀液中含有20mL的H2SO4和240g的CuSO4·5H2O；通过电镀使铜原子均匀沉积在处理后的原始铝板表面，得镀铜铝板；沿厚度为1.5mm的铝板待轧制方向用钢丝直径为0.1mm的不锈钢刷打磨除去铝板表面的氧化膜，再用乙醇水溶液擦洗，吹干。用乙醇水溶液擦洗镀铜铝板表面残留镀液污渍，吹干。然后，将表面处理后的铝板和镀铜铝板交替间隔堆叠，堆叠顺序为铝板-镀铜铝板-铝板-镀铜铝板-铝板-镀铜铝板-铝板-镀铜铝板-铝板，共堆叠9层，形成叠合板材，在叠合板材上钻直径为1mm的孔，在孔中穿入直径为1mm的细钢丝，对叠合板材进行捆扎固定，置于电阻炉中在300℃的温度下均匀预热15min后，进行热轧，热轧的工艺条件为：压下率60%、轧制速度10r/min，得到初次轧制铝板-镀铜铝板复合板；将初次轧制铝板-镀铜铝板复合板置于电阻炉中，在250℃的温度下保温10h，进行热扩散处理，得热扩散后复合板；将热扩散后复合板在垂直轧制方向上沿中线切割为二，形成板材，分别对两块该板材进行表面去污处理，然后将去污处理后的两块板材叠合，捆扎固定，之后，在压下率60%、轧制速度10r/min条件下进行轧制，得到二次轧制铝板-镀铜铝板复合板；在压下率60%、轧制速度10r/min条件下轧制二次轧制铝板-镀铜铝板复合板，得三次轧制铝板-镀铜铝板复合板；在压下率60%、轧制速度10r/min条件下轧制三次轧制铝板-镀铜铝板复合板，得四次轧制铝板-镀铜铝板复合板；在压下率60%、轧制速度10r/min条件下轧制四次轧制铝板-镀铜铝板，得五次轧制铝板-镀铜铝板复合板；在压下率60%、轧制速度10r/min条件下轧制五次轧制铝板-镀铜铝板复合板，得六次轧制铝板-镀铜铝板复合板；在压下率60%、轧制速度10r/min条件下轧制六次轧制铝板-镀铜铝板复合板，制得表面沉积铜原子的多层铝/铜复合板。
实施例3
取厚度为1.5mm的原始铝板，丙酮清洗，再用钢丝直径为0.15mm的不锈钢刷除去原始铝板表面的氧化膜，随后依次用800#砂纸、1000#砂纸、2000#砂纸对原始铝板表面进行打磨，再在超声波清洗机中用乙醇水溶液清洗，吹干，将表面处理后的原始铝板放入电镀液中，室温下，在电流2A/dm2、电压3V的条件下，电镀30min；每升电镀液中含有20mL的H2SO4和240g的CuSO4·5H2O；通过电镀使铜原子均匀沉积在处理后的原始铝板表面，得镀铜铝板；沿厚度为1mm的铝板待轧制方向用钢丝直径为0.15mm的不锈钢刷打磨除去铝板表面的氧化膜，再用乙醇水溶液擦洗，吹干。用乙醇水溶液擦洗镀铜铝板表面残留镀液污渍，吹干。然后，将表面处理后的铝板和镀铜铝板交替间隔堆叠，堆叠顺序为铝板-镀铜铝板-铝板-镀铜铝板-铝板-镀铜铝板-铝板-镀铜铝板，共堆叠8层，形成叠合板材，在叠合板材上钻直径为2mm的孔，在孔中穿入直径为1mm的细钢丝，对叠合板材进行捆扎固定，置于电阻炉中在350℃的温度下均匀预热12min后，进行热轧，热轧的工艺条件为：压下率59%、轧制速度10r/min，得到初次轧制铝板-镀铜铝板复合板；将初次轧制铝板-镀铜铝板复合板置于电阻炉中，在280℃的温度下保温15h，进行热扩散处理，得热扩散后复合板；将热扩散后复合板在垂直轧制方向上沿中线切割为二，形成板材，分别对两块该板材进行表面去污处理，然后将去污处理后的两块板材叠合，捆扎固定，之后，在压下率59%、轧制速度10r/min条件下进行轧制，得到二次轧制铝板-镀铜铝板复合板；在压下率59%、轧制速度10r/min条件下轧制二次轧制铝板-镀铜铝板复合板，得三次轧制铝板-镀铜铝板复合板；在压下率59%、轧制速度10r/min条件下轧制三次轧制铝板-镀铜铝板复合板，得四次轧制铝板-镀铜铝板复合板；在压下率59%、轧制速度10r/min条件下轧制四次轧制铝板-镀铜铝板，得五次轧制铝板-镀铜铝板复合板；在压下率59%、轧制速度10r/min条件下轧制五次轧制铝板-镀铜铝板复合板，得六次轧制铝板-镀铜铝板复合板；在压下率59%、轧制速度10r/min条件下轧制六次轧制铝板-镀铜铝板复合板，制得表面沉积铜原子的多层铝/铜复合板。

Claims (4)

1.一种表面沉积铜原子的多层铝/铜复合板叠制方法，其特征在于，该叠制方法具体按以下步骤进行：
1）在原始铝板表面上电镀铜，得镀铜铝板；
2）表面处理镀铜铝板和铝板，然后，将表面处理后的铝板和镀铜铝板交替间隔堆叠，第一层为铝板，共堆叠5～9层，形成叠合板材，捆扎固定叠合板材，置于温度300～400℃的环境中均匀预热10～15min；
3）在压下率58～60%、轧制速度10r/min的工艺条件热轧预热后的叠合板材，得初次轧制铝板-镀铜铝板复合板；
4）将初次轧制铝板-镀铜铝板复合板置于温度250～300℃的环境中保温5～20h，得热扩散后复合板；
5）将热扩散后复合板在垂直轧制方向上沿中线切割为二，形成板材，分别对两块板材进行表面去污处理，然后将去污处理后的两块板材叠合，捆扎固定，在压下率58～60%、轧制速度10r/min条件下进行轧制，得二次轧制铝板-镀铜铝板复合板；
6）对二次轧制铝板-镀铜铝板复合板重复步骤5），得三次轧制铝板-镀铜铝板复合板；对三次轧制铝板-镀铜铝板复合板重复步骤5），得四次轧制铝板-镀铜铝板复合板；对四次轧制铝板-镀铜铝板复合板重复步骤5），得五次轧制铝板-镀铜铝板复合板；对五次轧制铝板-镀铜铝板复合板重复步骤5），得六次轧制铝板-镀铜铝板复合板；对六次轧制铝板-镀铜铝板复合板重复步骤5），制得表面沉积铜原子的多层铝/铜复合板。
2.如权利要求1所述的表面沉积铜原子的多层铝/铜复合板叠制方法，其特征在于，所述步骤1）中，在原始铝板表面电镀铜：将表面处理后的原始铝板放入电镀液中，室温下，在电流2A/dm2、电压1～5V的条件下，电镀5～60min；每升电镀液中含有20mL的H2SO4和240g的CuSO4·5H2O。
3.如权利要求1或2所述的表面沉积铜原子的多层铝/铜复合板叠制方法，其特征在于，所述原始铝板的厚度为1～2mm。
4.如权利要求1或2所述的表面沉积铜原子的多层铝/铜复合板叠制方法，其特征在于，所述步骤2）中，铝板的厚度为1～2mm。
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