CN102978434A

CN102978434A - 一种短纤维与颗粒协同增强铜基复合材料及其制备方法

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Publication number: CN102978434A
Application number: CN2012105367304A
Authority: CN
Inventors: 贾成厂; 崔照雯; 蒋立坤; 高鹏; 常宇宏; 曾石轩; 李泽洲; 颜翃; 李敬仁
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2012-12-13
Filing date: 2012-12-13
Publication date: 2013-03-20

Abstract

本发明涉及一种铜基复合材料，由粉末冶金制备，采用短纤维与颗粒协同增强的铜基复合材料。短纤维与颗粒作为增强相，短纤维的含量为0.1%~2%wt，增强体颗粒的含量为0.1%~10%wt。作为短纤维，可以是碳纳米管，纳米碳纤维，陶瓷短纤维等，作为增强相的颗粒可以是氧化铝，氧化锆、氧化镁、二氧化钛，碳化硅，碳化钛，碳化钨、氮化硅、氮化铝、氮化钛、二硼化钛、Ti₃SiC₂等。该复合材料经过混合、成形、烧结、加工，其室温与高温强度可以提高到纯铜的3倍以上；导电性可以达到纯铜的80%以上；导热性可以达到纯铜的70%以上；摩擦系数可以降低到纯铜的70%以下；磨损率可以降低到纯铜的50%以下。

Description

一种短纤维与颗粒协同增强铜基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铜基复合材料，特别涉及一种由粉末冶金制备，采用短纤维与颗粒协同增强的铜基复合材料。

背景技术

非连续体增强金属基复合材料由于其独特的性能优势在航空航天、汽车等领域已获得许多应用。在复合材料的制备方法中, 粉末冶金方法由于其独特的优势而被广泛采用。关于颗粒增强铜基复合材料与短纤维增强铜基复合材料，已经有了不少的研究。例如文献“碳纳米管增强铜基复合材料的制备与研究（王森，硕士论文，兰州大学，2009）”和“纳米Al₂O₃颗粒增强新型铜基自润滑复合材料（陈岁元，刘义杰，刘常升，孙桂芳，复合材料学报，2009，26 （6 ）：109-115）”，以及专利文献“纳米与亚微米氧化铝混杂增强铜基复合材料及其制备方法（中国发明专利，200810017990.4）中的研究，确实在颗粒增强铜基复合材料或短纤维增强铜基复合材料方面做了很多的工作，也取得了不少的成绩与进展。但是，复合材料的力学性能还有待于进一步提高，在上述文献“碳纳米管增强铜基复合材料的制备与研究”中，讲述到利用粉末冶金方法制备碳纳米管增强铜基复合材料试样,确定了最佳制备工艺,试样的致密度平均达到97%。实验对不同碳纳米管体积分数复合材料的力学性能进行测试。结果表明, 3vol.%CNT/Cu复合材料的力学性能最好,硬度为纯铜试样的1.5倍。实验在不同的磨损载荷和滑动速率下,对不同碳纳米管体积分数复合材料的比磨损率进行测试。结果表明,碳纳米管的加入明显改善了基体的磨损性能,碳纳米管体积分数为3%时,复合材料的比磨损率达到最小值,约为纯铜试样的1/4～1/3。在上述文献“纳米Al₂O₃颗粒增强新型铜基自润滑复合材料”中，以Cu、Ni、Y₂O₃、MoS₂、Graphite 混合粉为基体，加入质量分数分别为0%、1%、2%、3%、4%的纳米Al₂O₃增强相，采用粉末冶金方法制备纳米Al₂O₃增强新型铜基自润滑复合材料。结果表明：由石墨和MoS₂ 组成的混合固体自润滑材料的摩擦系数小且稳定，约0. 12。Al₂O₃质量分数为2%的样品磨损量最小，是未加Al₂O₃试样磨损量的1/ 7~ 1/ 8。铜基体经过镍、纳米Al₂O₃等弥散颗粒强化和固体润滑相石墨和MoS₂的加入。所制备的材料已具有一定的自润滑性能。在上述专利文文献中，公开了一种纳米与亚微米氧化铝混杂增强铜基复合材料及其制备方法，称材料的强度、导电率、塑性均优于单一尺寸增强的复合材料，但未涉及到材料的摩擦磨损性能。

随着应用范围的扩大, 对复合材料的性能提出了更高的要求, 例如希望其在具有高耐磨性和高模量的同时, 具有更高的强度和足够的塑韧性，有时还希望在提高力学性能的同时又能够改善其摩擦磨损性能。这就要求在材料体系的成分设计、制备工艺路线与参数的控制以及后续加工处理等方面系统考虑。虽然非连续体增强金属基复合材料已研制出许多体系, 但其中很多复合材料体系实际上只有少数性能指标有一定优势, 其它性能指标尚未得到改善。这除了制备方法不够成熟以外, 主要原因是材料体系的成分设计有待优化。

发明内容

本发明的目的是提出一种短纤维与颗粒协同增强铜基复合材料及其制备方法，采用短纤维与颗粒作为增强相，充分发挥增强相的作用，提高铜基复合材料的综合性能，包括强度、硬度、韧性等力学性能；导电性、导热性等物理性能；摩擦磨损性能等，提高材料的使用性能。

为了实现上述目的，本发明采用以下方案：

短纤维与颗粒协同增强铜基复合材料采用短纤维与颗粒作为增强相，短纤维的含量为0.1%~2%（wt），增强体颗粒的含量为0.1%~10%（wt）。

所述短纤维为碳纳米管、纳米碳纤维、陶瓷短纤维中的任一种。

所述增强体颗粒为氧化铝，氧化锆、氧化镁、二氧化钛，碳化硅，碳化钛，碳化钨、氮化硅、氮化铝、氮化钛、二硼化钛、Ti₃SiC₂中的任一种。

短纤维与颗粒协同增强铜基复合材料的制备方法是将短纤维0.1%~2%（wt），和增强体颗粒0.1%~10%（wt）混合、成形、烧结。

混合的方式可以是磁力搅拌、超声波分散、高能球磨、三维混料机或V型混料机混合。混合的工艺参数可以参照普通粉末冶金的工艺参数而定。

烧结可以采用普通真空烧结、保护气氛烧结、热压、热等静压、微波烧结、放电等离子体烧结。

当烧结采用放电等离子烧结、热等静压力、热压时，温度为500~900℃，保温时间为5分钟~2小时，压力为0.1~300MPa；当采用放电等离子体烧结时，温度为500~900℃，压力为30~300MPa；当采用热等静压时，温度为500~800℃，压力为50~300MPa；当采用热压烧结时，温度为600~900℃，压力为0.1~50MPa。

烧结后的后续加工可以包括热挤压、轧制、锻造、拔丝。后续加工的工艺参数可以参照粉末冶金零件的后续处理工艺而定。

与已有的铜基复合材料相比，由于本发明利用短纤维与颗粒对铜基复合材料的增强机理，使短纤维所承受的力由基体材料通过界面传递，此时界面的切应力就起着至关重要的作用，而界面的切应力又与界面正应力密切相关。当基体中存在有增强体颗粒时，复合材料的杨氏模量提高，这样，在发生相同应变的情况下，其应力也会提高。就是说，由于颗粒的存在，使基体对短纤维的“抱紧”作用有所增强，与不存在颗粒的情况相比，短纤维的增强效果明显提高，充分发挥了他们之间的相互作用，从而全面提升了铜基复合材料的综合性能。

本发明中复合材料的性能，例如室温与高温强度可以提高到纯铜的3倍以上；导电性可以达到纯铜的80%以上；导热性可以达到纯铜的70%以上；摩擦系数可以降低到纯铜的70%以下；磨损率可以降低到纯铜的50%以下。

具体的实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种短纤维与颗粒协同增强铜基复合材料：铜粉（树枝状电解铜粉，购自北京有色金属研究总院，纯度>99.8%，粒度为-325目），短纤维采用碳纳米管（管壁外径20-30 nm，长度为20-30μm，纯度>95%），加入量为0.5wt.%，颗粒采用氧化铝（购自北京纳辰科技，粒度20 nm，纯度>99.9%）加入量为3.5wt.%，混粉工艺为磁力搅拌(MS)工艺和超声波分散，烧结方式为放电等离子体烧结（SPS）工艺，烧结时直接成形，其工艺参数：粉体烧结为厚5mm，直径Φ20mm的试样，烧结压力和温度分别为40MPa和850℃，保温5min，性能为：致密度99.8%、硬度86.04N/mm²、导电性5.39×10⁷Ω^-1·m^-1、导热率为218.05W/mk、平均摩擦系数为0.085。

比文献“碳纳米管增强铜基复合材料的制备与研究”相比，加入碳纳米管的量少2.5%，且所得材料的致密度要高；布氏硬度比纯铜提高了33.2%；平均摩擦系数与纯铜相比降低了47%。

实施例2

一种短纤维与颗粒协同增强铜基复合材料：铜粉（树枝状电解铜粉，购自北京有色金属研究总院，纯度>99.8%，粒度为-325目），纳米碳纤维（购自北京德科岛科技有限公司，直径150-200 nm，长度10-30 nm，纯度>95%）加入量为0.3wt.%，颗粒采用氮化铝（购自秦皇岛一诺新材料有限公司，粒度3μm，纯度>99.9%）加入量为2.5wt.%，混粉工艺为高能球磨分散，烧结方式为热等静压工艺，直接粉末成形，粉末装入包套中，然后使用氮气、氩气作加压介质，使粉末直接加热加压烧结成型，其工艺参数为：烧结压力和温度分别为300MPa和700℃，性能为：致密度98%、硬度80.04N/mm²、导电性5.0×10⁷Ω^-1·m^-1、导热率为202.84W/mk、平均摩擦系数为0.10。

实施例3

一种短纤维与颗粒协同增强铜基复合材料：铜粉（树枝状电解铜粉，购自北京有色金属研究总院，纯度>99.8%，粒度为-325目），SiC晶须（购自秦皇岛一诺高新材料开发有限公司，纯度>99%）加入量为0.1wt.%，颗粒采用碳化钨（购自北京蒙泰有研技术开发中心，纯度>99.9%，300目）加入量为1.5wt.%，混粉工艺为磁力搅拌（MS）工艺和超声波分散，成形和烧结一体，烧结方式为热压烧结工艺，其工艺参数为：烧结压力为0.1MPa，于900℃烧结2h，性能为：致密度98.8%、硬度80.35N/mm²、导电性5.1×10⁷Ω^-1·m^-1、导热率为210.5W/mk、平均摩擦系数为0.07。

实施例4

一种短纤维与颗粒协同增强铜基复合材料：铜粉（树枝状电解铜粉，购自北京有色金属研究总院，纯度>99.8%，粒度为-325目），短纤维采用碳纳米管（管壁外径20-30 nm，长度为20-30μm，纯度>95%），加入量为1wt.%，颗粒采用碳化钛（购自株洲华斯盛新材料科技有限公司，粒度2-4 μm，纯度>98%）加入量为0.1wt.%，混粉工艺为磁力搅拌(MS)工艺和超声波分散，烧结方式为放电等离子体烧结（SPS）工艺，烧结时直接成形，其工艺参数：粉体烧结为厚5mm，直径Φ20mm的试样，烧结压力和温度分别为40MPa和850℃，保温5min，性能为：致密度99%、硬度82.17N/mm²、导电性5.21×10⁷Ω^-1·m^-1、导热率为213.11W/mk、平均摩擦系数为0.09。

实施例5

一种短纤维与颗粒协同增强铜基复合材料：铜粉（树枝状电解铜粉，购自北京有色金属研究总院，纯度>99.8%，粒度为-325目），纳米碳纤维（购自北京德科岛科技有限公司，直径150-200 nm，长度10-30 nm，纯度>95%）加入量为1.2wt.%，颗粒采用氧化锆（购自上海利邦化工有限公司，纯度≥99.9%）加入量为0.5wt.%，混粉工艺为高能球磨分散，烧结方式为热等静压工艺，直接粉末成形，粉末装入包套中，然后使用氮气、氩气作加压介质，使粉末直接加热加压烧结成型，其工艺参数为：烧结压力和温度分别为300MPa和700℃，性能为：致密度98.2%、硬度84.40N/mm²、导电性4.95×10⁷Ω^-1·m^-1、导热率为223.50W/mk、平均摩擦系数为0.10。

实施例6

一种短纤维与颗粒协同增强铜基复合材料：铜粉（树枝状电解铜粉，购自北京有色金属研究总院，纯度>99.8%，粒度为-325目），SiC晶须（购自秦皇岛一诺高新材料开发有限公司，纯度>99%）加入量为1.4wt.%，颗粒采用氮化钛（购自天津纳德科技有限公司，纯度>99.7%，300目）加入量为1wt.%，混粉工艺为磁力搅拌（MS）工艺和超声波分散，成形和烧结一体，烧结方式为热压烧结工艺，其工艺参数为：烧结压力为10MPa，于900℃烧结2h，性能为：致密度99.1%、硬度83.32N/mm²、导电性5.32×10⁷Ω^-1·m^-1、导热率为217.2W/mk、平均摩擦系数为0.10。

实施例7

一种短纤维与颗粒协同增强铜基复合材料：铜粉（树枝状电解铜粉，购自北京有色金属研究总院，纯度>99.8%，粒度为-325目），短纤维采用碳纳米管（管壁外径20-30 nm，长度为20-30μm，纯度>95%），加入量为1.6wt.%，颗粒采用氮化硅（购自天津纳德科技有限公司，纯度>99.9%，粒度为3μm）加入量为5wt.%，混粉工艺为三维混料机分散，烧结方式为放电等离子体烧结（SPS）工艺，烧结时直接成形，其工艺参数：粉体烧结为厚5mm，直径Φ20mm的试样，烧结压力和温度分别为40MPa和850℃，保温5min，性能为：致密度97.2%、硬度97.22N/mm²、导电性5.04×10⁷Ω^-1·m^-1、导热率为198.25W/mk、平均摩擦系数为0.09。

实施例8

一种短纤维与颗粒协同增强铜基复合材料：铜粉（树枝状电解铜粉，购自北京有色金属研究总院，纯度>99.8%，粒度为-325目），纳米碳纤维（购自北京德科岛科技有限公司，直径150-200 nm，长度10-30 nm，纯度>95%）加入量为1.8wt.%，颗粒采用碳化硅（购自临沂市蒙碳化硅有限公司，粒度1μm，纯度>98%）加入量为8wt.%，混粉工艺为高能球磨分散，烧结方式为热等静压工艺，直接粉末成形，粉末装入包套中，然后使用氮气、氩气作加压介质，使粉末直接加热加压烧结成型，其工艺参数为：烧结压力和温度分别为300MPa和700℃，性能为：致密度92.8%、硬度103.44N/mm²、导电性4.89×10⁷Ω^-1·m^-1、导热率为199.01W/mk、平均摩擦系数为0.08。

实施例9

一种短纤维与颗粒协同增强铜基复合材料：铜粉（树枝状电解铜粉，购自北京有色金属研究总院，纯度>99.8%，粒度为-325目），SiC晶须（购自秦皇岛一诺高新材料开发有限公司，纯度>99%）加入量为2wt.%，颗粒采用二氧化钛（购自北京德科岛金科技有限公司，纯度>99.9%，10nm）加入量为10wt.%，混粉工艺为三维混料机分散，成形和烧结一体，烧结方式为热压烧结工艺，其工艺参数为：烧结压力为40MPa，于900℃烧结2h，性能为：致密度88.74%、硬度103.35N/mm²、导电性4.91×10⁷Ω^-1·m^-1、导热率为173.4W/mk、平均摩擦系数为0.07。

Claims

1.一种短纤维与颗粒协同增强铜基复合材料，其特征在于：短纤维与颗粒作为增强相，短纤维的含量为0.1%~2%wt，增强体颗粒的含量为0.1%~10%wt。

2.如权利要求1所述的短纤维与颗粒协同增强铜基复合材料，其特征在于：所述短纤维为碳纳米管、纳米碳纤维、陶瓷短纤维中的任一种。

3.如权利要求1所述的短纤维与颗粒协同增强铜基复合材料，其特征在于：所述增强体颗粒为氧化铝，氧化锆、氧化镁、二氧化钛，碳化硅，碳化钛，碳化钨、氮化硅、氮化铝、氮化钛、二硼化钛、Ti₃SiC₂中的任一种。

4.权利要求1-3所述的短纤维与颗粒协同增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：将短纤维0.1%~2%wt，和增强体颗粒0.1%~10%wt混合、成形、烧结。

5.如权利要求4所述的短纤维与颗粒协同增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：混合的方式是磁力搅拌、超声波分散、高能球磨、三维混料机或V型混料机混合。

6.如权利要求4所述的短纤维与颗粒协同增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：烧结采用普通真空烧结、保护气氛烧结、热压、热等静压、微波烧结、放电等离子体烧结。

7.如权利要求6所述的短纤维与颗粒协同增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：当烧结采用放电等离子烧结、热等静压力、热压时，温度为500~900℃，保温时间为5分钟~2小时，压力为0.1~300MPa；当采用放电等离子体烧结时，温度为500~900℃，压力为30~300MPa；当采用热等静压时，温度为500~800℃，压力为50~300MPa；当采用热压烧结时，温度为600~900℃，压力为0.1~50MPa。