一种利用含铜离子废液制备氧化物弥散强化铜基复合材料的方法与流程

本发明涉及铜基复合材料制备以及铜废水回收处理，具体是涉及一种利用含铜离子废液制备氧化物弥散强化铜基复合材料的方法。

背景技术：

1、随着冶金和电子工业的迅猛发展，一些行业如化工、印染、电镀、有色冶炼、有色金属矿山开采、电子材料漂洗以及染料生产等过程中，常常产生含有大量铜离子的废水。这些废水不仅对人类健康和环境构成潜在威胁，同时也具有一定的经济价值。在排放前，必须对这些废水进行净化处理并回收金属铜，以实现环境保护和资源循环利用。因此，寻找一种高效的废铜资源再利用方法具有重要的环保和经济意义。

2、铜及其合金在电子、电力、航空航天和汽车等领域中广泛应用，但在一些方面，如强度、耐磨性和耐腐蚀性等性能还需要进一步提高。铜基复合材料通过在铜基体中引入分散分布的氧化物颗粒，有助于改善铜材料的性能，提高其在各种应用中的可用性。

3、固液掺杂法是一种新型的制备氧化物弥散强化铜材料的方法，其主要特点在于能够将氧化物颗粒均匀地分散在铜基体中，从而提高了材料的均匀性和性能。相对于其他一些制备方法，如内氧化法，固液掺杂法的制备过程较为简单，适用于规模化生产。

4、然而，固液掺杂法的可行性通常受到可用氧化物的限制，需要有合适的氧化物可用于掺杂。虽然可以控制氧化物颗粒的尺寸，但在某些情况下，尺寸的精确控制可能会受到一定的限制。此外，弥散相主要分布在铜颗粒表面，与铜颗粒的结合性能较差。

5、在制备铜基复合材料时，将氧化物颗粒均匀分散在铜基体以及与铜基体的结合是关键的。氧化物在铜基体中的均匀分散有助于防止晶粒的生长，从而提高材料的强度和韧性。这种弥散强化效应对于制备高性能铜基复合材料至关重要，尤其是在高温和高压条件下的应用中。

6、基于以上问题，本专利技术涉及了工业废铜液的有效处理和铜基复合材料的制备方法。这包括工艺参数的优化，如废铜液的前处理、氧化物颗粒的选择和分散方法，以及复合材料的制备工艺。将废弃的铜资源与氧化物弥散强化技术相结合，不仅实现了资源的再利用，还制备了高性能材料，从而将废物转化为宝贵的资源，达到了环境保护和经济效益的双重目标。

技术实现思路

1、本发明提出了一种利用含铜离子废液制备氧化物弥散强化铜基复合材料的方法，主要解决的是铜废液的回收利用以及铜基复合材料制备的问题，采用电解工艺除去废液中的铁离子，利用化学方法置换出废液中的铜，并在此过程引入弥散相，后经过煅烧还原以及烧结致密化，制备高到性能的氧化物弥散强化铜基复合材料。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

3、一种利用含铜离子废液制备氧化物弥散强化铜基复合材料的方法，包括如下步骤：

4、步骤1、废液的预处理

5、取酸性镀铜废水，抽滤去除不溶性杂质，再进行电解除去fe2+和fe3+，电解后过滤，得到只含cu2+的废液；

6、步骤2、金属铜的置换

7、针对所需要制备的氧化物，添加对应金属单质于铜离子溶液中，由于金属元素的活性差异，发生置换反应，生成单质铜与盐溶液；

8、步骤3、溶液的蒸发干燥

9、根据所需的弥散相含量计算所需的盐溶液体积，过滤去除多余盐溶液，将固液混合物置于加热台，加热搅拌至干燥，得到铜与盐的混合粉末；

10、步骤4、粉末的煅烧分解以及还原

11、将步骤3制备的混合粉末置于管式炉中进行高温还原，将氧化的铜粉以及盐粉混合物充分分解并还原，得到纯净的铜与氧化物混合粉末；

12、步骤5、粉末的烧结致密化

13、将步骤4制备的铜与氧化物混合粉末进行放电等离子体烧结致密化，得到氧化物弥散强化铜基复合材料。

14、作为本发明的优选技术方案，制备方法中：

15、步骤1中电解法除去fe2+和fe3+过程如下：

16、①准备电解槽：将含铜离子废液倒入电解槽中；

17、②安装电极：在电解槽中放置阳极(通常使用不易氧化的材料，如铂或钛)和阴极(常用铁或不锈钢)；电极间距离应适中，以保证电流均匀通过溶液；

18、③连接电源：将电极接入直流电源；电源的电压需要根据实验确定，以保证足够的电流通过溶液而不造成过电解；

19、④开始电解：打开电源，电流通过电解槽，开始电解过程；铁离子(fe2+或fe3+)在阴极上获得电子，被还原成金属铁；

20、⑤去除沉积物：电解一段时间后，阴极上会沉积铁；

21、⑥电解后过滤电解液，得到只含cu2+的废液。

22、步骤2中取预处理后含cu2+的废液置于烧杯中，加入金属单质粉体，将烧杯放入超声分散仪中超声30min，完全反应，得到铜粉与盐溶液；所述金属单质优选采用y、al或zr。步骤3中蒸发干燥时加热温度优选为60℃。

23、本发明提出了一种利用含铜离子废液制备氧化物弥散强化铜基复合材料的方法，首先采用电解工艺除去废液中的铁离子，然后由弥散相的金属单质以及含铜离子溶液经过置换反应，原位生成铜单质，并且弥散相的金属单质溶于废液形成盐溶液，经加热蒸发以及煅烧还原，得到氧化物与铜的前驱体粉末，最后烧结致密化，制备出氧化物弥散强化铜基复合材料，制备过程中发生的化学反应如下：

24、x+cu2+＝cu+xn+

25、本发明所制备的铜基复合材料具备以下显著特点和优势：

26、1、纳米级铜粉的生成：通过置换反应，本发明生成的铜粉具有纳米级尺寸。这些纳米级铜粉在加热蒸发后与弥散相盐更加均匀地混合在一起，有利于烧结后氧化物的均匀弥散。纳米级颗粒有更大的表面积，有助于提高材料性能。

27、2、分子级弥散相盐的优势：本发明中，弥散相首先通过生成盐，然后经过煅烧还原生成氧化物。分子级别的弥散相盐类具有更多的形核位点，这有利于弥散相的生成。在烧结致密化过程中，它们能够更好地抑制铜晶粒的长大，从而使细晶强化效果更加显著，增强了铜基体的物理性能。这提高了材料的整体性能和耐用性。

28、与现有技术相比，本发明具有以下显著的有益效果：

29、1、环境友好和可持续性：本发明利用工业生产中的废液作为铜的来源，极大地降低了环境的污染和资源的浪费。这有利于可持续发展，符合环保和资源循环利用的原则。

30、2、创新的制备方法：本发明采用金属单质与含铜离子溶液进行置换反应，通过一系列加热蒸发、煅烧还原以及烧结致密化的步骤，成功制备了高性能的氧化物弥散强化铜基复合材料。这一制备方法既环保又有效，为铜基复合材料的制备提供了一种新的途径。

31、3、弥散相的均匀分散：本发明中，弥散相的金属单质在反应中生成盐，并均匀分散在铜粉末上。经过煅烧还原后，原位生成的氧化物弥散相也具有纳米级别的尺寸。这有助于在烧结过程中更好地抑制铜晶粒的生长，细化晶粒，从而显著增强了铜基体的强度和其他物理性能。

技术特征：

1.一种利用含铜离子废液制备氧化物弥散强化铜基复合材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中电解法除去fe2+和fe3+过程如下：

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2中取预处理后含cu2+的废液置于烧杯中，加入金属单质粉体，将烧杯放入超声分散仪中超声30min，完全反应，得到铜粉与盐溶液；所述金属单质为y、al或zr。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3中蒸发干燥时加热温度为60℃。

技术总结一种利用含铜离子废液制备氧化物弥散强化铜基复合材料的方法，涉及铜基复合材料制备以及铜废水回收处理技术领域。首先采用电解工艺除去废液中的铁离子，然后由弥散相的金属单质以及含铜离子溶液经过置换反应，原位生成铜单质，并且弥散相的金属单质溶于废液形成盐溶液，经加热蒸发以及煅烧还原，得到氧化物与铜的前驱体粉末，最后烧结致密化，制备出氧化物弥散强化铜基复合材料。弥散相首先通过生成盐，然后经过煅烧还原生成氧化物。分子级别的弥散相盐类具有更多的形核位点，这有利于弥散相的生成。在烧结致密化过程中，它们能够更好地抑制铜晶粒的长大，从而使细晶强化效果更加显著，增强了铜基体的物理性能。这提高了材料的整体性能和耐用性。技术研发人员：马冰,陈锦文,祝伟,盛学洋,许杰受保护的技术使用者：安徽恒均粉末冶金科技股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/11