CN104911382A

CN104911382A - 一种铜基滑板材料的制备方法

Info

Publication number: CN104911382A
Application number: CN201510217549.0A
Authority: CN
Inventors: 江奇; 蒋雪; 朱德贵; 卢晓英
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2015-04-30
Filing date: 2015-04-30
Publication date: 2015-09-16

Abstract

本发明提供了一种铜基滑板材料的制备方法，属于功能材料制备技术领域。该方法以铜为基体材料，以碳纳米管、钛硅碳作为增强材料，以石墨为自润滑耐磨材料，经湿化学法预处理后化学镀铜。镀铜碳纳米管2.5～90％，镀铜石墨2.5～90％，镀铜钛硅碳2.5～90％，电解铜粉5～90％。将得到的四种原材料的各组分按照配比在球磨机中球磨，达到混合均匀的目的；最后采用真空热压烧结炉在高温高压下，将四种材料的混合热压烧结成有机的整体；再经过一定温度的保温处理，达到结构稳定的目的，使材料兼具高导电性、高润滑性、高耐磨性等性能，最终得到性能优异的铜基滑板材料。主要用于轨道交通设备制造。

Description

一种铜基滑板材料的制备方法

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，特别涉及一种导电材料的制备方法。

背景技术

随着社会的发展，对高导电、高耐磨滑板材料的需求越来越多。特别是近几年来，中国轨道交通蓬勃发展，和谐号动车、高铁等不断地改变人们的生活，更是走出国门远销海外，使世界都为之惊叹。而不断发展的同时，对受电弓滑板材料、接地装置材料和相关技术的要求越来越高。受电弓滑板材料和接地装置材料是将电流由一个部件导向另一个部件的滑动或滚动接触体。其工作条件受恶劣的自然环境、大电流、高速度等的影响，因此需要具有优良的导电性、高强度、性能稳定、质量轻等优点。

我国电气化铁路不断发展的过程中，铜合金接触导线已占总导线量的98％以上，并且我国货运、客运的发重任决定了电气化铁路将着重发展，意味着将最大限度地应用铜合金接触导线，开发与铜合金接触导线良好匹配的铜基滑板材料。因此，寻找制备高强度、高冲击韧性、低电阻系数、底磨耗比的新型铜基滑板材料已然成为我国受电弓滑板材料发展的一个重要方向。

对于铜基滑板材料而言有很多的制备方法，在众多的制备方法中粉末冶金法具有独特的优势。近年来，国内外通过粉末表面镀铜、改变粉末成分和比例、制备条件等展开许多工作。如中国专利申请号：201010580088.0、名称为“一种铜基受电弓滑板材料的好制备方法”，以弥散强化铜粉为基体，以镀铜石墨为减磨材料，以锡、铅金属粉体为添加剂，混料均匀后经热压烧结为受电弓滑板材料，该方法的制备工艺简单易操作，但是得到的受电弓滑板材料缺少如碳纳米管、陶瓷颗粒等增强相，性能上会受到很大的影响；中国专利申请号：201110004880.6、名称为“以镀铜碳纳米管增强受电弓滑板材料及其制备方法”，通过引入表面镀铜碳纳米管、Ti₃SiC₂、TiB₂粉末原料与铜采用不同的体积比例按照冷压-烧结-二次冷压-二次烧结的工艺流程制备出受电弓滑板材料，该制备过程看似工艺简单，但不能一步到位，同时根据原料的体积比可以推出得到的受电弓滑板材料密度会比较高，给实际应用带来不便；中国专利申请号：201210442516.2、名称为“一种碳纳米管增强碳铝铜复合材料滑板的制备方法”，以铜、铝为基体材料，以碳纳米管为增强材料，以碳为自润滑耐磨材料，同时还含有硫酸钡、二氧化硅、镍、锡、铌成分，按一定的质量比分配，通过冷压和热压结合的方式制备出受电弓滑板材料，达到降低电阻率、提高抗压强度、延长使用寿命的作用，但在冷压装料的的操作容易造成成分不均匀，在后续加热过程中易出现分层断裂的情况。加压与加热操作分开还有造成操作繁琐的弊端。

发明内容

本发明的目的是提供一种铜基滑板材料的制备方法,它能有效地弥补现有铜基滑板材料性能的不足，而同时又具有高导电、高耐磨和良好机械性能。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，以铜为基体材料，以碳纳米管、钛硅碳作为增强材料，以石墨为自润滑耐磨材料，电解铜粉和表面化学镀铜的碳纳米管、石墨、钛硅碳采用球磨机混合均匀后，直接真空热压烧结达到制备滑板材料的目的。其步骤包括：

A.采用湿化学法将碳纳米管、石墨、钛硅碳分别进行预处理后再化学镀铜，经真空干燥、玛瑙碾磨、过筛，电解铜粉过筛，一并放入卧式球磨机球磨混合均匀；原材料各组分的重量百分比为：电解铜粉5～90％，镀铜碳纳米管2.5～90％，镀铜石墨2.5～90％，镀铜钛硅碳2.5～90％；

B.将上述混合均匀的粉末放入石墨模具中，利用真空热压烧结炉加压达到20～120MPa的压力，同时升温到200～1200℃，保压、保温0.5～24小时；

C.B步保压、保温结束后，立即卸压，并继续加温到250～1250℃，保温时间0.5～24小时，然后自然降温得到铜基滑板材料。

所述的湿化学法预处理，其操作步骤如下：

a.材料亲水化处理：所述原材料各组分均需在马弗炉中400℃下烧结40分钟，冷却后用去离子水洗涤；

b.表面粗化处理：将a步处理后的各组分在粗化溶液中煮沸20分钟，用去离子水洗至中性，各组分在粗化溶液中的含量为2.4wt％；

c.材料敏化处理：将b步处理后的各组分在敏化溶液中煮沸15分钟，用去离子水洗至中性，各组分在敏化溶液中的含量为4.8wt％；

d.材料活化处理：将c步处理后的各组分在活化溶液中搅拌4分钟后，取出滤干，各组分在活化溶液中的含量为4.8wt％；

e.材料还原处理：将d步处理后的各组分在还原溶液中室温搅拌15分钟后取出滤干，各组分在还原溶液中的含量为4.8wt％。

步骤A中所述的化学镀铜的镀液配方为：镀液中硫酸铜、锌粉、冰乙酸和1,2,3-苯骈三氮唑的含量分别为5.7wt％、1.5wt％、1.6wt％和0.01wt％；镀铜时间为40分钟；镀铜温度为35℃。

所述粗化溶液是含量为20.0wt％的硝酸溶液。

所述敏化溶液是由含量为2.3wt％的盐酸溶液和2.0wt％的氯化亚锡溶液配制而成。

所述活化溶液是由含量为4.4wt％的氨水和0.05wt％的硝酸银溶液配制而成。

所述还原溶液是含量为3.8wt％的次亚磷酸钠溶液。

本发明的机理是：

因为碳纳米管具有较大的强度并兼有金属和半导体的电学性能，石墨具有优良的可浮性、润滑性、可塑性，钛硅碳具有金属的优异性能、良好的抗热震性、高温塑性等特点，所以本发明以铜为基体材料，以碳纳米管、钛硅碳作为增强材料，以石墨为自润滑耐磨材料。将碳纳米管、石墨、钛硅碳表面化学镀铜，改善碳纳米管、石墨分散性，使碳纳米管、石墨、钛硅碳与电解铜粉之间的界面结合问题得到解决；镀铜处理后将碳纳米管、石墨、钛硅碳与电解铜粉按照上述重量比例在球磨机中球磨，达到四种粉末混合均匀的目的；最后采用真空热压烧结炉在高温高压下，表面镀铜的碳纳米管、石墨、钛硅碳粉末与电解铜粉热压烧结成有机的整体，达到结构稳定的目的，使材料兼具导电性、润滑性、耐磨性和力学等性能，最终得到高导电、高耐磨和力学性能优异的铜基滑板材料。

本发明现有技术相比的优点与效果如下：

一、以铜为基体材料、碳系材料(碳纳米管和石墨)和陶瓷材料钛硅碳相结合共同作为增强材料、石墨为自润滑耐磨材料，合理兼具导电性、润滑性、耐磨性和力学等性能。制备材料组分少，所得材料应用范围广。

二、本发明中的湿化学镀铜方法优于一般化学镀铜，实现过程简化、成本降低、处理量提高等效果。

三、成型步骤通过热压烧结一步完成，操作简单，特别适合工业化大生产。实验证明本发明的工艺条件易满足，操作简单，成本低廉，且制备出的铜基滑板材料导电性、耐磨性、抗弧性能和力学性能均为优秀。

附图说明

图1为本发明实例一中所得铜基滑板材料产品带电摩擦磨损后的数码相机照片。

图2为本发明实例一中所得铜基滑板材料产品带电摩擦磨损前的光学显微镜照片。

图3为本发明实例一中所得铜基滑板材料产品带电摩擦磨损后的光学显微镜照片。

图4为本发明实例一中所得铜基滑板材料产品带电摩擦磨损后的激光共聚焦照片。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

A.将碳纳米管、石墨、钛硅碳经湿化学法预处理后，进行化学镀铜。然后和电解铜粉一起经真空干燥、玛瑙碾磨、9号药典检验筛过筛待用。原材料组分的重量百分比为：电解铜粉65％，镀铜碳纳米管10％，镀铜石墨10％，镀铜Ti₃SiC₂粉15％。然后采用卧式球磨机球磨3小时使其混合均匀；

B.将上述混合均匀的粉末放入耐高温耐高压的石墨模具中，利用真空热压烧结炉加压到80MPa的压力，同时升温到800℃，保压、保温2小时；

C.B步保压、保温结束，立即卸压，并继续控制温度在950℃，保温时间2小时，然后自然降温得到铜基滑板材料。

上述A步中的湿化学法预处理的操作如下：

材料亲水化处理：马弗炉中400℃下烧结40分钟，冷却后用去离子水洗涤；

表面粗化处理：在含量为20wt％的硝酸溶液配成的粗化溶液中煮沸20分钟，去离子水洗至中性。原材料各组分在粗化溶液中的含量为2.4wt％；

材料敏化处理：在含量量为2.3wt％的盐酸溶液和2.0wt％的氯化亚锡溶液配成的敏化溶液中煮沸15分钟，去离子水洗至中性。原材料各组分在敏化溶液中的含量为4.8wt％；

材料活化处理：在含量为4.4wt％的氨水和0.05wt％的硝酸银溶液配成的活化溶液中搅拌4分钟后，取出滤干。原材料各组分在活化溶液中的含量为4.8wt％；

材料还原处理：在含量为3.8wt％的次亚磷酸钠配成的还原溶液中室温搅拌15分钟后取出滤干。原材料各组分在还原溶液中的含量为4.8wt％。

上述A步中的化学镀铜的镀液配方为：镀液中硫酸铜、锌粉、冰乙酸和1,2,3-苯骈三氮唑的加入量分别为5.7wt％、1.5wt％、1.6wt％和0.01wt％；镀铜时间为40分钟；镀铜温度为35℃。

将得到的样品进行下面相应测试，得到如下结果：

通过质量与体积之比得到材料的密度为4.67g/cm³；

通过四探针双位组合测量技术得到材料的电阻率为1.67μΩ.m；

通过电子布氏硬度计得到材料的布氏硬度为44.3HBS；

通过全自动独立多站比表面和孔隙度分析仪得到材料的比表面积为2.2m²/g；

以法向压力为30N、速度为30km/h、电压为9V的参数进行带电摩擦磨损测试，实验结果得出工作电流在125A左右，磨损率为0.0071cm³/km，摩擦系数为0.1096，单位距离离线电弧电能量为8.664*10^-4J/km。

由图1可知，本发明实施例一获得的铜基滑板材料产品沿着摩擦磨损的方向有轻微深黑色的划痕，说明耐磨性能良好。

由图2可知，所获得的铜基滑板材料产品中，石墨、碳纳米管、钛硅碳与电解铜粉在体积上几乎各占一半，且说明各成分分散均匀。

由图3可知，所获得的铜基滑板材料产品在实验过程中，出现了一定的粘着磨损和火花磨损。

由图4可以清晰的看出所得铜基滑板材料产品带电摩擦磨损后，产生的粘着磨损和火花磨损等使材料表面产生一定的凹坑。但是其电弧烧蚀很轻微，显示出该种材料作为铜基滑板材料的良好应用前景。

实施例二：

本例的方法与实施例一的制作方法基本相同，不同的仅仅是：

A步中的材料组合的重量百分比为：电解铜粉5％，镀铜碳纳米管90％，镀铜石墨2.5％，镀铜钛硅碳2.5％。球磨时间24小时。

B步中的真空热压烧结压力为120MPa，温度200℃，保压、保温时间24小时。

C步中的卸压后的保温温度为250℃，保温时间为24小时。

实施例三：

A步中的材料组合的重量百分比为：电解铜粉90％，镀铜碳纳米管2.5％，镀铜石墨2.5％，镀铜钛硅碳5％。球磨时间1小时。

B步中的真空热压烧结压力为20MPa，温度1200℃，保压、保温时间0.5小时。

C步中的卸压后的保温温度为1250℃，保温时间为0.5小时。

实施例四：

A步中的材料组合的重量百分比为：电解铜粉45％，镀铜碳纳米管45％，镀铜石墨5％，镀铜钛硅碳5％。球磨时间12小时。

B步中的真空热压烧结压力为60MPa，温度600℃，保压、保温时间12小时。

C步中的卸压后的保温温度为650℃，保温时间为12小时。

实施例五：

A步中的材料组合的重量百分比为：电解铜粉25％，镀铜碳纳米管5％，镀铜石墨45％，镀铜钛硅碳25％。球磨时间5小时。

B步中的真空热压烧结压力为100MPa，温度500℃，保压、保温时间15小时。

C步中的卸压后的保温温度为550℃，保温时间为15小时。

实施例六：

A步中的材料组合的重量百分比为：电解铜粉80％，镀铜碳纳米管2.5％，镀铜石墨7.5％，镀铜钛硅碳10％。球磨时间17小时。

B步中的真空热压烧结压力为110MPa，温度250℃，保压、保温时间22小时。

C步中的卸压后的保温温度为300℃，保温时间为22小时。

实施例七：

A步中的材料组合的重量百分比为：电解铜粉15％，镀铜碳纳米管25％，镀铜石墨15％，镀铜钛硅碳45％。球磨时间20小时。

B步中的真空热压烧结压力为90MPa，温度400℃，保压、保温时间20小时。

C步中的卸压后的保温温度为450℃，保温时间为20小时。

实施例八：

A步中的材料组合的重量百分比为：电解铜粉10％，镀铜碳纳米管2.5％，镀铜石墨22.5％，镀铜钛硅碳65％。球磨时间7小时。

B步中的真空热压烧结压力为70MPa，温度700℃，保压、保温时间8小时。

C步中的卸压后的保温温度为750℃，保温时间为8小时。

实施例九：

A步中的材料组合的重量百分比为：电解铜粉5％，镀铜碳纳米管2.5％，镀铜石墨90％，镀铜钛硅碳2.5％。球磨时间10小时。

B步中的真空热压烧结压力为50MPa，温度900℃，保压、保温时间6小时。

C步中的卸压后的保温温度为950℃，保温时间为6小时。

实施例十：

A步中的材料组合的重量百分比为：电解铜粉5％，镀铜碳纳米管65％，镀铜石墨25％，镀铜钛硅碳5％。球磨时间22小时。

B步中的真空热压烧结压力为40MPa，温度1000℃，保压、保温时间4小时。

C步中的卸压后的保温温度为1050℃，保温时间为4小时。

实施例十一：

A步中的材料组合的重量百分比为：电解铜粉5％，镀铜碳纳米管2.5％，镀铜石墨2.5％，镀铜钛硅碳90％。球磨时间5小时。

B步中的真空热压烧结压力为30MPa，温度1100℃，保压、保温时间1小时。

C步中的卸压后的保温温度为1150℃，保温时间为1小时。

实施例十二：

A步中的材料组合的重量百分比为：电解铜粉5％，镀铜碳纳米管15％，镀铜石墨65％，镀铜钛硅碳15％。球磨时间6小时。

B步中的真空热压烧结压力为80MPa，温度300℃，保压、保温时间21小时。

C步中的卸压后的保温温度为350℃，保温时间为21小时。

本发明方法所获得的复合材料，不局限于受电弓滑板材料和接地装置，还可用于需要高导电和高耐磨的地方。

Claims

1.一种铜基滑板材料的制备方法，包括化学镀铜工艺,其步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种铜基滑板材料的制备方法，其特征在于，所述的湿化学法预处理，其操作步骤如下：

a.原材料亲水化处理：所述原材料各组分均需在马弗炉中400℃下烧结40分钟，冷却后用去离子水洗涤；

3.根据权利要求1所述的一种铜基滑板材料的制备方法，其特征在于步骤A中所述的化学镀铜的镀液配方为：镀液中硫酸铜、锌粉、冰乙酸和1,2,3-苯骈三氮唑的含量分别为5.7wt％、1.5wt％、1.6wt％和0.01wt％；镀铜时间为40分钟；镀铜温度为35℃。

4.根据权利要求2所述的一种铜基滑板材料的制备方法，其特征在于：所述粗化溶液是含量为20.0wt％的硝酸溶液。

5.根据权利要求2所述的一种铜基滑板材料的制备方法，其特征在于：所述敏化溶液是由含量为2.3wt％的盐酸溶液和2.0wt％的氯化亚锡溶液配制而成。

6.根据权利要求2所述的一种铜基滑板材料的制备方法，其特征在于：所述活化溶液是由含量为4.4wt％的氨水和0.05wt％的硝酸银溶液配制而成。

7.根据权利要求2所述的一种铜基滑板材料的制备方法，其特征在于：所述还原溶液是含量为3.8wt％的次亚磷酸钠溶液。