CN104195477A - 一种高冲击韧性碳-铜复合材料的制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高冲击韧性碳-铜复合材料的制备工艺，将石墨粉、酚醛树脂、碳纤维、铜纤维以及其它润滑组分按比例进行称重，并加入酒精混合；出锅晾干酒精溶剂，然后打粉，得到胶质石墨粉；将胶质石墨粉造粒并放入双锥混料机中，得到具有毛刺化结构的粒化石墨颗粒；将毛刺化后的粒化石墨颗粒、铜粉按最终产品中各组分比例要求进行称重，并加入脱模剂混合1-3小时，得到压粉；最后压制成型，再经过烧结即可。本发明可以显著增加石墨颗粒表面的粗糙度，使铜碳界面互锁作用增强，从而提高铜碳界面结合力，最终提高铜碳复合材料的冲击韧性。

Description

一种高冲击韧性碳-铜复合材料的制备工艺

技术领域

本发明涉及复合材料的制备，具体指一种高冲击韧性碳-铜复合材料的制备工艺，本复合材料主要用于电力机车受电弓滑板，属于复合材料技术领域。

 

背景技术

铜/石墨复合材料既具有铜的高电导率、高强度和良好的延展性，又具有石墨的良好润滑性、耐蚀性、低膨胀系数及比重小的特点，因而具有良好的导电、导热、耐磨、耐电弧烧蚀和抗熔焊等性能，广泛应用于各种电焊电极、电器工程开关的触头、发电机的集电环、电机电刷和电力机车受电弓滑板。

在采用粉末冶金法制备铜/石墨材料时，对石墨制粒，可以有效降低石墨对铜基体的隔断效应，增强复合材料的强度和冲击韧性，降低电阻率。造粒就是将细粉末状固体团聚在一起。采用造粒技术制备摩擦材料，还可以减少环境污染，减少对研发人员和工人的人身伤害，而且运输便利、增加制备材料的空隙、降低制动时产生的噪音和减少摩擦块对偶件磨损等优点。造粒技术适合应用于摩擦材料制备。

碳-铜复合材料受电弓滑板是以铜为基体、将石墨和碳纤维均匀地分布在基体中，采用冷压成型后烧结制备而成。该材料具良好的导电性能和力学性能。杨连威等以78%铜，2%碳纤维，15%石墨，添加剂含量5%，在压力为200MPa和烧结温度880℃条件下制备了碳-金属复合滑板。该滑板电阻率较低、耐磨损及冲击韧性较高。但是该滑板的传统制备工艺是将铜粉与其他组分机械共混，经粉末冶金方法制备而成，即使在1285℃的高温下，铜与碳纤维、石墨也不浸润或者发生化学反应，界面结合方式为机械互锁，结合强度低，承受较大外力时，界面容易破坏，纤维较易拔出、脱落。以受电弓滑板为例，受电弓滑板经过接触网上“硬点”时，例如在电分相装置、分段绝缘器及接触导线硬弯处，会产生阶跃式冲击。电力机车运行速度越高，弓网受到的振动和冲击载荷也越强。由于铜石墨界面结合力较弱，疲劳应力强度较低，当弓网振动载荷超过其疲劳应力强度时，造成石墨或碳纤维的脱落或拔出。甚至超过其抗冲击韧性，直接使石墨颗粒产生碎裂脱落。从而导致弓网接触界面润滑失效，加剧受电弓和导线的磨损。因此，需要对铜碳复合材料界面进行改性。

 

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种可大大增强铜碳界面结合力的高冲击韧性碳-铜复合材料的制备工艺。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种高冲击韧性碳-铜复合材料的制备工艺，步骤如下，

1）碳纤维表面处理

采用碳纤维为原料，先采用酒精进行预清洗，清除碳纤维表面的有机膜；再采用硝酸溶液对碳纤维进行粗化，最后经水洗和干燥后，得到待用的碳纤维；

2）混捏

将石墨粉、酚醛树脂、碳纤维、铜纤维以及其它润滑组分按比例进行称重，并加入适量酒精溶剂，混合1-3小时；出锅，晾干酒精溶剂，然后打粉，过70目筛，得到胶质石墨粉；其它润滑组分为二硫化钨或二硫化钼。

3）粒化

将胶质石墨粉造粒，经过干燥筛分后，选取20-120目粒化石墨颗粒；

4）毛刺化

将粒化石墨颗粒放入带有可调速铰刀的双锥混料机中，粒化石墨颗粒经过铰刀和相互间的滚动冲击，磨剥掉粒化石墨颗粒表层的石墨，然后筛分去除磨剥下来的细粉，得到具有毛刺化结构的粒化石墨颗粒；

5）混合

将毛刺化后的粒化石墨颗粒、铜粉按最终产品中各组分比例要求进行称重，并加入适量硬脂酸锌脱模剂，在双锥混料机中，混合1-3小时，得到压粉；

6）成型和烧结

根据产品尺寸要求，对压粉压制成型，再经过烧结工艺即得到高冲击韧性铜-碳复合材料。

第2）步混捏中，酚醛树脂为石墨粉重量的15-30%，碳纤维为石墨粉重量的2-10%，铜纤维为石墨粉重量的1-5%；其它润滑组分为石墨粉重量的2-5%。

第1）步对碳纤维进行粗化的硝酸溶液为50%的浓硝酸。

本发明通过特定工艺得到具有刺猬结构的石墨颗粒，该颗粒再与铜粉混合、压制和烧结，即可得到具有碳纤维和铜纤维连接铜碳界面的界面结合层，该结构可以显著增加石墨颗粒表面的粗糙度， 使铜碳界面互锁作用增强，从而提高铜碳界面结合力，最终提高铜碳复合材料的冲击韧性。

 

具体实施方式

复合材料界面效应是任何一种单一材料所没有的特性，它对复合材料具有重要的作用。界面效应既与界面结合状态、形态和物理化学性质有关，也与复合材料各组分的浸润性、相溶性、扩散性等密切相关。铜和碳之间浸润性较差，不发生化学反应，纯粹靠机械连接，其连接表面越粗糙，互锁作用越强，机械粘结作用越有效。本发明为了增强铜碳界面结合力，设计了以碳纤维和铜纤维连接铜碳界面的界面结合层。关键工艺是先将混合均匀的酚醛树脂胶质石墨粉、短切碳纤维和铜纤维在造粒机（可以是干法滚压造粒，也可以是湿法造粒）中粒化为20-120目的颗粒，然后在带有可调速铰刀的双锥混料机中，粒化石墨颗粒经过铰刀和相互间的滚动冲击，磨剥掉粒化石墨颗粒表层的石墨组分，使粒化石墨颗粒中的碳纤维和铜纤维露出小半截，筛分去除磨剥下来的细粉磨，即得到具有刺猬结构的石墨颗粒。该颗粒再与铜粉混合、压制和烧结，即可得到具有碳纤维和铜纤维连接铜碳界面的界面结合层，该结构可以显著增加石墨颗粒表面的粗糙度， 使铜碳界面互锁作用增强，从而提高铜碳界面结合力，最终提高铜碳复合材料的冲击韧性。

本发明具体制备工艺如下：

1）碳纤维表面处理

去胶处理。由于未经表面处理的碳纤维表面有集束剂，集束剂使得碳纤维的分散性能比较差，而且表面光滑，使得碳纤维与基体的浸润性能比较差，与基体的结合强度比较低。因此，需要对碳纤维的表面进行去除集束剂处理。集束剂的主要成分为有机物，结合有机物之间的相似相容原理，采用酒精进行预清洗。其作用是清除碳纤维表面的有机膜，提高碳纤维表面的粗糙度，增加碳纤维与基体的结合性能。

粗化处理。粗化是指使碳纤维在微观状态下其表面具有一定的粗糙度，以大幅度改善碳纤维与基体的浸润性，提高碳纤维与基体的结合强度。粗化原理：强氧化性溶液可以氧化碳纤维表面，能够形成微观高低不平的碳纤维表面。这些都大大改善了碳纤维的浸润性和在基体中的分散性，使其与基体具有较高的粘结强度，碳纤维表面越粗糙，与基体粘结强度越高。本发明采用 50%浓硝酸溶液对碳纤维进行粗化，粗化时间为 36 小时，流水冲洗后进行烘干，得到待用的碳纤维。

2）混捏

将石墨粉，酚醛树脂（石墨粉重量的15-30%）、第1）步处理得到的碳纤维（石墨粉重量的2-10%）、铜纤维（石墨粉重量的1-5%）以及其它润滑组分（如二硫化钨或二硫化钼，石墨粉重量的2-5%）按比例进行称重，并加入适量酒精溶剂，在双Z型混料机中，混合1-3小时；出锅，晾干酒精溶剂，然后打粉，过70目筛，得到胶质石墨粉。

3）粒化

将胶质石墨粉在干法或湿法造粒机中造粒，经过干燥筛分后，选取20-120目粒化石墨颗粒。

4）毛刺化

然后将粒化石墨颗粒放入带有可调速铰刀的双锥混料机中，石墨颗粒经过铰刀和相互间的滚动冲击，磨剥掉粒化石墨颗粒表层的石墨，使粒化石墨颗粒中的碳纤维和铜纤维露出小半截，筛分去除磨剥下来的细粉，可以得到具有毛刺化结构的粒化石墨颗粒。为了得到具有毛刺化结构的粒化石墨颗粒，实际操作时一般通过双锥混料机混料时间控制，时间一般为2-4小时。当然也可以结合绞刀转速、压力共同控制。

5）混合

将毛刺化后的粒化石墨颗粒、（电解）铜粉按比例（铜-碳复合材料用途不同，铜含量也不同，其具体比例可根据不同产品技术要求定）进行称重，并加入适量硬脂酸锌脱模剂，在双锥混料机中，混合1-3小时，得到压粉。由于电解铜粉压制生坯强度较高，所以一般采用电解铜粉，海绵铜粉，球化铜粉也可以，不做特殊要求。

6）成型和烧结

先根据产品尺寸要求，压制成型。再经过烧结后，即得到高冲击韧性铜-碳复合材料。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (4)

1.一种高冲击韧性碳-铜复合材料的制备工艺，其特征在于，步骤如下，

1）碳纤维表面处理

采用碳纤维为原料，先采用酒精进行预清洗，清除碳纤维表面的有机膜；再采用硝酸溶液对碳纤维进行粗化，最后经水洗和干燥后，得到待用的碳纤维；

2）混捏

将石墨粉、酚醛树脂、碳纤维、铜纤维以及其它润滑组分按比例进行称重，并加入适量酒精溶剂，混合1-3小时；出锅，晾干酒精溶剂，然后打粉，过70目筛，得到胶质石墨粉；

3）粒化

将胶质石墨粉造粒，经过干燥筛分后，选取20-120目粒化石墨颗粒；

4）毛刺化

将粒化石墨颗粒放入带有可调速铰刀的双锥混料机中，粒化石墨颗粒经过铰刀和相互间的滚动冲击，磨剥掉粒化石墨颗粒表层的石墨，然后筛分去除磨剥下来的细粉，得到具有毛刺化结构的粒化石墨颗粒；

5）混合

将毛刺化后的粒化石墨颗粒、铜粉按最终产品中各组分比例要求进行称重，并加入适量硬脂酸锌脱模剂，在双锥混料机中，混合1-3小时，得到压粉；

6）成型和烧结

根据产品尺寸要求，对压粉压制成型，再经过烧结工艺即得到高冲击韧性铜-碳复合材料。

2.根据权利要求1所述的高冲击韧性碳-铜复合材料的制备工艺，其特征在于：第2）步混捏中，酚醛树脂为石墨粉重量的15-30%，碳纤维为石墨粉重量的2-10%，铜纤维为石墨粉重量的1-5%；其它润滑组分为石墨粉重量的2-5%。

3.根据权利要求1所述的高冲击韧性碳-铜复合材料的制备工艺，其特征在于：其它润滑组分为二硫化钨或二硫化钼。

4.根据权利要求1所述的高冲击韧性碳-铜复合材料的制备工艺，其特征在于：第1）步对碳纤维进行粗化的硝酸溶液为50%的浓硝酸。