CN103045971B - 一种铜-石墨-二硫化钨纳米管自润滑复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铜-石墨-二硫化钨纳米管自润滑复合材料及其制备方法，其中自润滑复合材料是以铜为基体，石墨及二硫化钨纳米管为固体润滑添加剂，通过放电等离子烧结法制成，其组分及质量百分比分别为：铜80–90%，石墨7–10%，二硫化钨纳米管3–10%；其制备方法是将二硫化钨纳米管经研磨﹑敏化﹑活化及化学镀铜后与电解铜粉及石墨粉末按配比量通过机械球磨法混合均匀，再将混合粉末进行放电等离子烧结，最终制得二硫化钨纳米管及石墨增强的铜基自润滑复合材料。本发明制备的铜基自润滑复合材料机械强度高、摩擦磨损性能优异且环境适应性好。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种以铜为基体，二硫化钨纳米管及石墨为固体润滑添加剂的自润滑复合材料及其制备方法，尤其涉及一种过渡族金属硫化物纳米管增强铜基自润滑复合材料及其制备方法。
二、背景技术
含有固体润滑剂（石墨、二硫化钼和二硫化钨等）的铜基自润滑复合材料兼具基体铜和固体润滑剂的特性，即良好的导电导热性能以及优异的摩擦磨损性能，而被广泛的应用于工业领域，如电刷﹑接触滑板﹑轴承等。石墨在空气中易吸附气体形成润滑膜而具有良好的润滑性能，但其润滑特性受吸附气体支配，真空条件下石墨的摩擦系数是空气中的2倍，磨损甚至高达千倍。二硫化钨具有与石墨相似的层状密排六方结构，层内通过很强的共价键结合，层与层之间则是较弱的范德华力，易于沿密排面滑移，在真空条件下具有优异的润滑性能，但在潮湿的空气中易被氧化，从而使润滑性能降低。
随着现代航空航天工业的迅速发展，越来越多的机械部件需要在不同气氛条件下工作，对适应不同环境的金属基自润滑复合材料的需求越来越迫切，但传统的单润滑剂复合材料很难满足这个要求。由于单一固体润滑剂的润滑效果对气氛有依赖性，无法在不同气氛条件下都提供足够的润滑。
三、发明内容
本发明旨在提供一种铜-石墨-二硫化钨纳米管自润滑复合材料及其制备方法，以提高复合材料的机械强度、耐磨损性能以及环境适应性。
本发明自润滑复合材料是以金属铜为基体，以二硫化钨纳米管及石墨作为固体润滑添加剂，通过放电等离子烧结法制备得到，其原料以质量百分比计构成为：
铜（Cu） 80–90%，
石墨（G） 7–10%，
二硫化钨（WS2）纳米管 3–10%。
所述二硫化钨纳米管为多壁纳米管，其直径约为30-80nm，长度约为0.5-20μm，纯度为99.9%，图2为二硫化钨纳米管的透射（TEM）图片。
本发明铜-石墨-二硫化钨纳米管自润滑复合材料的制备方法包括研磨、敏化、活化、化学镀铜、球磨以及放电等离子烧结（SPS）各单元过程，其中研磨、敏化、活化和化学镀铜过程为常规方法，具体过程参见“碳纳米管的化学镀铜.袁海龙，凤仪.中国有色金属学报，第14卷第4期.2004”：
将依次经研磨、敏化、活化和化学镀铜后的二硫化钨纳米管和铜粉按配比量加入到球磨罐中，在氩气气氛中干球磨8-12小时，然后再加入配比量的石墨继续于氩气气氛中干球磨6-8小时得到混合粉末，球磨罐转速为300-600转/分钟，球料比为2：1；将所述混合粉末装入模具中于5-20MPa冷压成型，随后在真空或氩气气氛中进行放电等离子烧结，烧结温度750-820℃，升温速率10-100℃/min，压力30-120MPa，保温时间5-30min。
本发明首先对二硫化钨纳米管进行化学镀铜处理，以增强二硫化钨纳米管与铜基体间的润湿性，使其与金属基体之间可以形成牢固的结合界面，另外还可以减少二硫化钨纳米管的团聚现象，使其较均匀的分散在铜基复合材料中。本发明原料的配比中铜的添加量为80–90%，该配比量是指化学镀铜后的二硫化钨纳米管表面所镀覆的铜以及球磨过程中所加入的电解铜粉的总铜量。
本发明将二硫化钨纳米管及石墨作为固体润滑剂同时加入到铜基体中，以期二者在不同气氛条件中发挥各自的润滑作用以及协同作用从而提高材料的环境适应性。
本发明具体工艺步骤如下：
1、研磨：将二硫化钨纳米管研磨30分钟后置于无水乙醇中超声分散6小时，脱去无水乙醇并放入真空干燥箱中于100℃干燥。
2、敏化：将研磨干燥后的二硫化钨纳米管置于0.1mol/L的SnCl2溶液中超声振荡30分钟，离心分离并用去离子水洗涤至溶液呈中性（pH=7），随后置于无水乙醇中超声分散6小时，脱去无水乙醇并放入真空干燥箱中于100℃干燥。
3、活化：将敏化后的二硫化钨纳米管置于0.0024mol/L的PdCl2溶液中超声振荡30分钟，离心分离并水洗至中性，随后置于无水乙醇中超声分散6小时，脱去无水乙醇并放入真空干燥箱中于100℃干燥。
4、化学镀铜：将CuSO4.5H2O、KNaC4H4O6.4H2O、NiCl2.6H2O、聚乙二醇6000（PEG6000）和水混合调配得到镀液，镀液中CuSO4.5H2O的浓度为25g/L，KNaC4H4O6.4H2O的浓度为25g/L，NiCl2.6H2O的浓度为2g/L，PEG6000的浓度为40mg/L；将活化后的二硫化钨纳米管加入到镀液中，用NaOH溶液调pH值至12.5，超声振荡30分钟后加入还原剂HCHO使镀液中HCHO的浓度为12mg/L，于室温下进行镀覆反应15分钟，反应结束后离心分离并水洗至中性，随后置于无水乙醇中超声分散6小时，脱去无水乙醇并放入真空干燥箱中于100℃干燥得到镀铜二硫化钨纳米管。镀铜二硫化钨纳米管表面的覆铜层厚度控制在20-50nm。
5、球磨：将镀铜二硫化钨纳米管和铜粉按配比量加入到球磨罐中在氩气保护气氛下干球磨8-12小时，然后加入配比量的石墨粉末继续在氩气保护气氛中干球磨6-8小时得到混合粉末，球磨罐转速为450转/分钟，球料比2：1。
6、放电等离子烧结：将混合粉末装入石墨模具中于5-20MPa冷压成型，再将石墨模具放入电场辅助电火花离子烧结炉中在真空或氩气保护气氛下进行放电等离子烧结，烧结工艺参数为：烧结温度750-820℃，升温速率10-100℃/min，压力30-120MPa，保温时间5-30min。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明以金属铜为基体，二硫化钨纳米管及石墨为固体润滑添加剂，凭借二硫化钨纳米管独特的类富勒烯结构及优异的润滑性能极大改善了传统铜–石墨复合材料的摩擦磨损性能及环境适应性；
2、本发明将二硫化钨纳米管加入到铜基复合材料中，类富勒烯结构二硫化钨纳米管的S–W–S层卷曲成管状，消除了晶体边缘上的悬键，其固有的各向异性不复存在，提高了化学稳定性，与普通的层状二硫化钨相比，润滑性能更强。二硫化钨纳米管不仅具有极强的润滑性能，添加到金属基自润滑复合材料中还可以起到增强材料韧性的作用。
3、本发明首先对二硫化钨纳米管进行化学镀铜处理，不仅增强了其与铜基体间的润湿性，使其与金属基体之间可以形成牢固的结合界面，还可以减小二硫化钨纳米管的团聚现象，使其较均匀的分散在铜基复合材料中。
4、本发明在750-820℃通过放电等离子烧结制得复合材料，避免了铜与二硫化钨纳米管之间发生化学反应，保证了二硫化钨纳米管的润滑性能得以充分发挥。
本发明制备的二硫化钨纳米管及石墨增强的铜基自润滑复合材料致密度可达96%以上﹑机械强度高﹑摩擦磨损性能优异且可应用于不同气氛条件。
本发明不仅提供了一种适用于不同气氛条件的高性能铜基自润滑复合材料，而且有效地解决了该复合材料制备过程中二硫化钨纳米管分散﹑增强二硫化钨纳米管与铜基体间润湿性以及提高复合材料机械强度这三个难题。本发明工艺简单﹑可操作性强且成本相对较低。
四、附图说明
图1为本制备工艺的流程图。
图2为二硫化钨纳米管的透射（TEM）图片。
图3为实施例1的铜–10wt%石墨–10wt%二硫化钨纳米管自润滑复合材料的X射线衍射图谱。
五、具体实施方式
非限定实施例叙述如下：
实施例1：铜–10wt%石墨–10wt%二硫化钨纳米管自润滑复合材料
工艺步骤如下：
1、研磨：将6g二硫化钨纳米管研磨30分钟后置于无水乙醇中超声分散6小时，脱去无水乙醇并放入真空干燥箱中于100℃干燥。
2、敏化：将研磨干燥后的二硫化钨纳米管置于0.1mol/L的SnCl2溶液中超声振荡30分钟，离心分离（15000转/分钟）并用去离子水洗涤至溶液呈中性（pH=7），随后置于无水乙醇中超声分散6小时，脱去无水乙醇并放入真空干燥箱中于100℃干燥。
3、活化：将敏化后的二硫化钨纳米管置于0.0024mol/L的PdCl2溶液中超声振荡30分钟，离心分离（15000转/分钟）并水洗至中性，随后置于无水乙醇中超声分散6小时，脱去无水乙醇并放入真空干燥箱中于100℃干燥。
4、化学镀铜：将CuSO4.5H2O、KNaC4H4O6.4H2O、NiCl2.6H2O、PEG6000和水混合调配得到镀液，镀液中CuSO4.5H2O的浓度为25g/L，KNaC4H4O6.4H2O的浓度为25g/L，NiCl2.6H2O的浓度为2g/L，PEG6000的浓度为40mg/L；将活化后的二硫化钨纳米管加入到镀液中，用NaOH溶液调pH值至12.5，超声振荡30分钟后加入还原剂HCHO使镀液中HCHO的浓度为12mg/L，于室温下进行镀覆反应15分钟，反应结束后离心分离（15000转/分钟）并水洗至中性，随后置于无水乙醇中超声分散6小时，脱去无水乙醇并放入真空干燥箱中于100℃干燥得到25.182g镀铜二硫化钨纳米管，二硫化钨纳米管表面镀覆的铜的质量为19.182g。
5、球磨：将25.182g镀铜二硫化钨纳米管和28.818g铜粉加入到球磨罐中在高纯氩气保护气氛下干球磨12小时，然后加入6g石墨粉末继续在高纯氩气保护气氛中干球磨8小时得到混合粉末，球磨罐转速为450转/分钟，球料比2：1。
6、放电等离子烧结：将混合粉末装入石墨模具中于10MPa冷压成型，随后在高纯氩气保护气氛下进行放电等离子烧结制得铜–10wt%石墨–10wt%二硫化钨纳米管自润滑复合材料，烧结温度820℃，升温速率30℃/min，压力60MPa，保温时间5min。
本实施例的铜–10wt%石墨–10wt%二硫化钨纳米管自润滑复合材料的致密度为96.4%，布氏硬度和抗弯强度分别为61.4HB、138.7MPa。
本实施例的铜–10wt%石墨–10wt%二硫化钨纳米管自润滑复合材料的X射线衍射图谱如图3所示，从图3中可以看出所有衍射峰都属于铜、二硫化钨纳米管以及石墨这三种物质，并没有观察到其他物质的衍射峰，这说明铜与二硫化钨纳米管在放电等离子烧结过程中并未发生反应，保证了二硫化钨纳米管的润滑性能得以充分发挥。
本实施例的铜–10wt%石墨–10wt%二硫化钨纳米管自润滑复合材料分别在空气和真空条件下与45#钢对磨时摩擦系数分别为0.12–0.14以及0.16–0.19，均显示了较低的摩擦。
实施例2：铜–7wt%石墨–3wt%二硫化钨纳米管自润滑复合材料的制备
本实施例的制备方法同实施例1，不同的是铜、石墨及二硫化钨纳米管的质量比为90：7：3，在真空条件下进行放电等离子烧结，真空度10-4Pa，烧结温度800℃，升温速率50℃/min，压力50MPa，保温时间10min。
经上述工艺制备得到致密度为97.8%，布氏硬度和抗弯强度分别为85.7HB、193.2MPa的铜–7wt%石墨–3wt%二硫化钨纳米管自润滑复合材料。
Claims (2)
1.一种铜-石墨-二硫化钨纳米管自润滑复合材料，其特征在于：以二硫化钨纳米管及石墨作为固体润滑添加剂，通过放电等离子烧结法制备得到，所述自润滑复合材料的原料以质量百分比计构成为：
铜 80-90％，
石墨 7-10％，
二硫化钨纳米管 3-10％；
所述二硫化钨纳米管的直径为30-80nm，长度为0.5-20μm；
所述铜-石墨-二硫化钨纳米管自润滑复合材料是依次经研磨、敏化、活化、化学镀铜、球磨以及放电等离子烧结各单元过程制备得到的自润滑复合材料：
将依次经研磨、敏化、活化和化学镀铜后的二硫化钨纳米管和铜粉按配比量加入到球磨罐中，在氩气气氛中干球磨8-12小时，然后再加入配比量的石墨继续于氩气气氛中干球磨6-8小时得到混合粉末；将所述混合粉末装入模具中于5-20MPa冷压成型，随后在真空或氩气气氛中进行放电等离子烧结，烧结温度750-820℃，升温速率10-100℃/min，压力30-120MPa，保温时间5-30min；
经化学镀铜后得到的镀铜二硫化钨纳米管表面的覆铜层厚度为20-50nm。
2.一种权利要求1所述的铜-石墨-二硫化钨纳米管自润滑复合材料的制备方法，包括研磨、敏化、活化、化学镀铜、球磨以及放电等离子烧结各单元过程，其特征在于：
将依次经研磨、敏化、活化和化学镀铜后的二硫化钨纳米管和铜粉按配比量加入到球磨罐中，在氩气气氛中干球磨8-12小时，然后再加入配比量的石墨继续于氩气气氛中干球磨6-8小时得到混合粉末；将所述混合粉末装入模具中于5-20MPa冷压成型，随后在真空或氩气气氛中进行放电等离子烧结，烧结温度750-820℃，升温速率10-100℃/min，压力30-120MPa，保温时间5-30min；
经化学镀铜后得到的镀铜二硫化钨纳米管表面的覆铜层厚度为20-50nm。
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