CN101109060A - 炭纤维整体织物/炭-铜复合材料及制备方法 - Google Patents

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杨琳
易振华
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Abstract

炭纤维整体织物/炭－铜复合材料及制备方法，是以炭纤维整体织物增密制备得到的多孔炭坯体为预制体，在预制体的孔隙中渗入铜合金。本发明采用无压熔渗方法，工艺简单，成本低廉，易于实现工业化，能制备出具有高导电性、优异自润滑耐磨性、优异抗热振和耐烧蚀性的炭纤维整体织物/炭－铜复合材料。

Description

炭纤维整体织物/炭-铜复合材料及制备方法
技术领域
本发明涉及金属基复合材料领域，特别是指一种炭纤维整体织物/炭-铜复合材料及制备方法。
背景技术
炭/铜复合材料作为一种集结构和功能为一体的金属基复合材料，因具有优良的导电、导热、减磨、耐磨性能而被广泛地应用于各工业部门，例如作为摩擦材料、含油轴承、电接触材料、导电材料和机械零件材料等。特别是近年来，随着铁路高速化和电气化的发展，滑动导电材料发展迅速。炭/铜复合材料因其优异的导电、减磨耐磨性能而成为现代滑动导电材料的首选，作为受电弓滑板材料和电刷材料有着广泛的应用前景。制造炭/铜复合材料的常用方法有粉末冶金法、搅拌法、挤压铸造法等。炭与铜在1200℃时润湿角才接近170°，溶解度只有0.005at％，且不发生任何化学反应，也不形成任何碳化物，因此炭/铜复合材料的界面润湿问题显得十分突出，使炭/铜复合材料制备工艺复杂，严重制约了其性能提高和应用。就目前常见的粉末冶金炭/铜制品而言，由于存在炭与铜不润湿的问题，复合材料的孔隙率高，致密度低；烧结强度低，力学性能差；材料中铜呈孤立的岛屿状分布，也不利于导电性和摩擦磨损性能的提高。
目前，涂覆与涂层，被认为是改善炭和铜界面润湿性的有效方法，如用电镀、化学镀、真空镀膜等在炭纤维或炭颗粒表面形成Ni、Cu、Cr、Fe、Zr、Ti、W、Mo等金属或合金涂层，或采用溶胶凝胶法、PVD法、CVD法等形成陶瓷涂层。尽管涂层及涂覆的方法很多，但由于工艺复杂，对纤维和颗粒本体涂层研究较多，对预制件整体涂层研究较少。因为预制件中存在许多交叉的结构点，难以进行整体涂覆，易产生“黑心效应”。整体来讲，无论采取哪一种涂层方法，一般都要求在涂镀前对纤维或颗粒进行表面清洗及改性处理，会对环境造成一定污染。因此，通过涂层方法改善界面润湿性的工艺还有待于完善，成本较高，难以实现工业化。
以粉末冶金法为例，要改善界面润湿性则首先要制备镀铜石墨粉，包括石墨粉预处理和石墨粉镀铜两个步骤，预处理还包括亲水化、粗化、敏化、活化、还原和烘干等工艺过程，且精度不易控制。后续的粉末冶金工艺中的混粉过程由于铜、炭的密度悬殊较大，又成为另一个难题，需要耗费很长时间，一般连续混粉时间都在50h左右。因此，无论是哪种制备方法，要实现铜及铜合金基体与炭界面之间较好的结合，都要求铜和炭组分之间有较好的相容性。由于炭与铜的界面问题致使目前炭/铜复合材料的制备工艺复杂，成本高。
炭/炭复合材料具有低密度、高比强度比模量、高热传导性、低热膨胀系数、断裂韧性好、耐磨、耐烧蚀、耐高温性能好等特点，广泛应用于航空、航天、核能、化工等领域。为更好地发挥炭/炭复合材料的优势，许多研究相继展开。如炭/炭复合材料和金属Cu的焊接；对炭/炭复合材料做涂层处理，在基体中添加难熔金属碳化物，对炭/炭复合材料渗硅，以提高炭/炭复合材料抗氧化、耐烧蚀、抗热震等性能，从而拓展炭/炭复合材料的应用。炭/炭复合坯体中有大量孔隙，可以渗入铜，利用铜的高温发汗性，提高其抗烧蚀性能，制备抗热震、耐烧蚀的炭/炭-铜复合材料；另外炭/炭复合材料和铜的导电性能都很好，可拓展到导电材料和导电摩擦材料领域。但是铜对炭材料的润湿性能差，为了能在炭/炭复合坯体中渗入铜，必须改善铜与炭/炭复合坯体之间的润湿性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种制备工艺方法简单、成本低廉、可有效改善碳/铜界面润湿性，提高炭/铜复合材料性能、拓展炭/炭复合材料的应用领域的炭纤维整体织物/炭-铜复合材料及制备方法。
本发明---炭纤维整体织物/炭-铜复合材料是以炭纤维整体织物增密制备的多孔炭坯体为预制体，在预制体的孔隙中渗入铜合金。
本发明----炭纤维整体织物/炭-铜复合材料的制备方法包括下述工艺步骤：
(1)取多孔炭坯体为预制体。
(2)配制Cu粉和Ti粉混合的熔渗剂。其中Ti粉重量百分比为5％到25％。
(3)用步骤(2)的熔渗剂粉末包埋步骤(1)的预制体，在真空条件下，于1100℃-1450℃进行无压熔渗，所得产物即为炭纤维整体织物/炭-铜复合材料。
本发明----炭纤维整体织物/炭-铜复合材料的制备方法的进一步改进是
(1)将炭纤维整体织物通过化学气相渗透或浸渍碳化方法增密成密度为0.7-1.5g/cm3的多孔炭坯体。
(2)将多孔炭坯体预制体在2000℃-2500℃进行调质热处理。
本发明由于采用上述工艺方法，通过添加钛元素，使铜合金基体与炭坯体之间具有良好的浸润性和结合性，无需对碳预制件涂层，不但实现了无压熔渗，简化了工艺，而且使铜合金能充分填充炭坯体内的孔隙并最终形成网络状连续分布的铜合金基体，使该复合材料具有更好的导电性、冲击强度和摩擦磨损性能；炭纤维整体织物增强不但显著提高材料的力学性能，而且作为固体润滑剂降低了材料的摩擦系数及磨损率；对炭纤维整体织物进行增密及调质处理不仅可提高纤维的增强效果，还可调整纤维预制体结构、控制基体炭类型和含量进而调控材料的摩擦和导电性能，制备特定的炭纤维增强炭基体-铜合金复合材料，用作摩阻材料、电刷材料、烧蚀材料、各种滑动轴瓦、滑块乃至生物材料。与其它炭/铜复合材料制备方法相比，本发明采用无压熔渗方法，工艺简单，成本低廉，易于实现工业化，能制备出具有高导电性、优异自润滑耐磨性、优异抗热振和耐烧蚀性的炭纤维整体织物/炭-铜复合材料。
附图说明
附图为采用本发明方法所制备的炭纤维整体织物/炭-铜复合材料金相照片。
从图中可看出熔渗铜合金能充分填充炭复合坯体内连贯的孔隙，形成网络状分布的铜合金基体。
具体实施方式
实施例1
采用聚丙烯睛炭纤维制成的针刺整体毡，经化学气相渗透方法增密成0.7g/cm3的多孔炭复合坯体，在2500℃调质；配制Cu/Ti质量比为9.5∶0.5的熔渗剂；用配制好的熔渗剂包埋炭坯体，在真空条件下，1100℃保温30min，制备得到炭纤维整体织物/炭-铜复合材料。
其主要性能指标如下表所示：
密度(g/cm3) 硬度/HRF 抗弯强度(MPa) 电阻率(Ω.cm)   摩擦系数(紫铜对偶/50N) 体积磨损率(mm3/(m*N))
5.51 45 396.4   1.35×10-5 0.37 3.132×10-7
实施例2
采用聚丙烯睛炭纤维制成的针刺整体毡，经化学气相渗透方法增密成1.35g/cm3的多孔炭复合坯体，在2300℃调质；配制Cu/Ti质量比为9∶1的熔渗剂；用配制好的熔渗剂包埋炭坯体，在真空条件下，1300℃保温30min，制备得到炭纤维整体织物/炭—铜复合材料。
其主要性能指标如下表所示：
密度(g/cm3) 硬度/HRF 抗弯强度(MPa) 电阻率(Ω.cm)   摩擦系数(紫铜对偶/50N)     体积磨损率(mm3/(m*N))
3.61 60 321.3   5.89×10-5 0.30 1.636×10-7
实施例3
采用聚丙烯睛炭纤维制成的针刺整体毡，经浸渍碳化方法增密成1.5g/cm3的多孔炭复合坯体，在2000℃调质；配制Cu/Ti质量比为7.5∶2.5的熔渗剂；用配制好的熔渗剂包埋炭坯体，在真空条件下，1450℃保温30min，制备得到炭纤维整体织物/炭-铜复合材料。
其主要性能指标如下表所示：
密度(g/cm3) 硬度/HRF 抗弯强度(MPa) 电阻率(Ω.cm)   摩擦系数(紫铜对偶/50N) 体积磨损率(mm3/(m*N))
2.31 67 241.2   11.30×10-5 0.26 1.096×10-7

Claims (10)

1.炭纤维整体织物/炭-铜复合材料是以炭纤维整体织物增密制备的多孔炭坯体为预制体，在预制体的孔隙中渗入铜合金。
2.炭纤维整体织物/炭-铜复合材料的制备方法，包括下述工艺步骤：
(1)取多孔炭坯体为预制体。
(2)配制Cu粉和Ti粉混合的熔渗剂，其中Ti粉质量百分比为5％到25％。
(3)用步骤(2)的熔渗剂粉末包埋步骤(1)的预制体，在真空条件下，于1100℃-1450℃进行无压熔渗，所得产物即为炭纤维整体织物/炭-铜复合材料。
3.根据权利要求2所述的炭纤维整体织物/炭-铜复合材料的制备方法，其特征在于：Cu粉和Ti粉混合的熔渗剂，其中Ti粉质量百分比为10％到20％。
4.根据权利要求2或3所述的炭纤维整体织物/炭-铜复合材料的制备方法，其特征在于：Cu粉和Ti粉混合的熔渗剂，其中Ti粉质量百分比为15％。
5.根据权利要求2所述的炭纤维整体织物/炭-铜复合材料的制备方法，其特征在于：将炭纤维整体织物通过化学气相渗透或浸渍碳化方法增密成0.9-1.3g/cm3的多孔炭坯体。
6.根据权利要求2所述的炭纤维整体织物/炭-铜复合材料的制备方法，其特征在于：将炭纤维整体织物通过化学气相渗透或浸渍碳化方法增密成1.1g/cm3的多孔炭坯体。
7.根据权利要求2所述的炭纤维整体织物/炭-铜复合材料的制备方法，其特征在于：将多孔炭坯体在2000℃-2500℃进行调质热处理。
8.根据权利要求2所述的炭纤维整体织物/炭-铜复合材料的制备方法，其特征在于：于1200℃-1350℃进行无压熔渗，所得产物即为炭纤维整体织物/炭-铜复合材料。
9.根据权利要求2所述的炭纤维整体织物/炭-铜复合材料的制备方法，其特征在于：于1250℃进行无压熔渗，所得产物即为炭纤维整体织物/炭-铜复合材料。
10.根据权利要求2或7所述的炭纤维整体织物/炭-铜复合材料的制备方法，其特征在于：将多孔炭坯体在2250℃进行调质热处理。
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