[0005] 鉴于现有技术中存在上述技术问题，本发明提供一种含纳米碳化锆陶瓷颗粒铜基电极材料的一步合成方法，可在保持铜优良导电性的前提下提高其机械性能，同时能有效解决纳米碳化锆粉末价格昂贵的问题，该方法还具有工序简易、操作简单、生产效率高、ZrC颗粒细小、分布均匀、产物导电性好、孔隙率低等优点。
[0006] 本发明提供一种含纳米碳化锆陶瓷颗粒铜基电极材料的一步合成方法，包含以下步骤：
[0007] 步骤一、原材料Cu粉、Zr粉和C粉，其中，Zr粉与C粉摩尔比值为1，Cu粉的添加量为10～60wt.％；
[0008] 步骤二、将称量好的Cu粉、Zr粉、C粉，在惰性气体环境中用滚筒式球磨机混合10～14小时，得到Cu-Zr-C混合粉末；
[0009] 步骤三、用液压机将混合后的Cu-Zr-C粉末冷压成相对致密度为50～70％的压坯；
[0010] 步骤四、将Cu-Zr-C粉末压块与无氧铜块放入真空感应熔炼炉内，然后布置成真空环境；
[0011] 步骤五、在真空环境中，通过熔炼炉的感应线圈预加热至950～1050℃，从而促发粉末压块的热爆合成反应与ZrC陶瓷的生成，之后保温约1min；
[0012] 步骤六、继续升温至1250～1300℃，然后保温20～30min并施加磁搅拌，使热爆合成产物中的ZrC颗粒均匀分散于Cu液中，最后将液体浇铸到金属模具中，得到含纳米碳化锆陶瓷颗粒的铜基复合材料。
[0013] 所述Cu粉，其纯度>99％,粒径为0.5～75μm。
[0014] 所述Zr粉，其纯度>98％，粒径～45μm。
[0015] 所述C粉，其纯度>99％，粒径为100nm～1.3μm。
[0016] 所述无氧铜块，其纯度>99.97％，氧含量<0.003％，杂质总含量不大于0.03％。
[0017] 所述球磨机的磨球为ZrO2磨球，ZrO2磨球的直径为8mm，磨球与粉末的重量比为10:1，球磨机的转速为50～70转/分钟。
[0018] 所述Ar气，其纯度为99.999％。
[0019] 所述金属模具为合金钢模具。
[0020] 所述的磁搅拌，其电流为40～60A。
[0021] 制备的含碳化锆陶瓷颗粒铜基电极材料中，ZrC颗粒的尺寸小于100nm，含量为0.1wt.％～1.0wt.％，其余为Cu。
[0022] 上述步骤一中，Cu-Zr-C混合粉末中Zr粉和C粉的摩尔比值为1，否则反应不全，热爆合成产物中会残留未反应的C或副产物Cu-Zr化合物。
[0023] 上述步骤二中，在惰性气体环境中把粉末与磨球装入球磨罐中，以防止机械球磨过程中Zr等粉末的氧化。
[0024] 上述步骤四中，真空环境的布置过程为：先将熔炼炉抽真空至5～10Pa后；接着冲入Ar气至0.06～0.08MPa，反复抽气、充气三次，从而排除熔炼炉内的空气、防止加热过程中Zr粉与Cu粉的氧化。
[0025] 上述步骤五中，在真空环境中，通过熔炼炉的感应线圈预加热至950～1050℃，在Cu-Zr-C粉末压坯发生热爆反应生成ZrC陶瓷之后，保温约1min，使杂质气体充分挥发。
[0026] 上述步骤六中，熔炼的温度为1250～1300℃，保温时间与磁搅拌时间为20-30min，施加的磁搅拌电流为40～60A，经高温长时间的强搅拌作用才能使热爆合成产物中的ZrC均匀分散于铜液内。
[0027] 本发明中，Cu粉对纳米ZrC的热爆合成至关重要。第一，加热过程中，Cu与Zr在600～660℃之间就能通过固态扩散反应形成Cu10Zr7等化合物，随温度的升高，Cu10Zr7在895℃熔化为Cu-Zr液相，液相为ZrC的形成提供了捷径，当Zr粉与C粉溶入Cu-Zr液相中，Zr与C原子通过快速移动结合成稳定的ZrC陶瓷颗粒，从而促使粉末压坯在950～1050℃发生ZrC的热爆合成反应。第二，当ZrC从液体中形成之后，Cu液会增大ZrC颗粒之间的距离，从而遏制ZrC颗粒的接触与长大。第三，Cu起到稀释剂作用，Zr-C混合粉末中Cu粉的添加，必然减少单位体积内Zr和C的数量，降低ZrC形成释放的热量，进而降低反应的温度、抑制ZrC的长大。
[0028] 本发明中，熔炼温度(1250～1300℃)与在此温度下的强磁搅拌(时间20～30min，电流40～60A)对复合材料中ZrC保持纳米状态及其均匀分布至关重要。熔炼温度过低、磁搅拌时间过短和电流太小，则会降低磁搅拌效果，从而导致复合材料中ZrC颗粒的团聚；温度过高、磁搅拌时间过长，复合材料中的ZrC颗粒会长大，且会在其后的浇铸冷却过程中出现偏聚现象。
[0029] 本发明中采用熔炼工艺制备了含纳米碳化锆陶瓷颗粒铜基电极材料，相对于烧结工艺存在如下优势：(1)成本低；烧结工艺中只能采用大量的Cu粉和ZrC粉(或Zr和C粉)制备，而本发明只需要少量Cu粉、Zr粉、C粉和大量Cu块，其中Cu块相对于Cu便宜和容易得到得多；(2)产物孔隙率低、导电性好；烧结工艺通常加热到半熔融状态，即温度不能高于Cu的熔点，粉状材料的孔隙没有完全除去，但是如果温度高于Cu的熔点，又容易出现因重力不同而发生的分布不均匀现象，这都使得产物导电性差；本发明熔炼温度高于Cu的熔点，同时采用磁搅拌技术，既除去了孔隙，又促使材料分布均匀；(3)适合大规模生产；烧结工艺通常需要保温并施加几十MPa的压力进行烧结，适合小产品制备；本发明采用铜块作为原材料，可用于大规模生产。本发明为含纳米碳化锆陶瓷颗粒铜基电极材料的制备开辟了一条新思路，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(1)利用Cu-Zr-C混合粉末热爆合成含Cu的超细ZrC粉体，其价格低于商业超细ZrC粉末，能降低ZrC/Cu复合材料制备成本；(2)在升温加热过程中先后实现了ZrC颗粒与ZrC/Cu复合材料制备，一步法简化了ZrC陶瓷的额外制取工序；(3)除弥散强化效果外，纳米ZrC陶瓷颗粒可通过异质形核作用，促进铜基体的细化，实现细晶强化，提高铜的机械性能。
