CN105483420A - 一种纳米碳增强的耐磨复合材料 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种纳米碳增强的耐磨复合材料，其包括如下组分及质量百分比：金属粉55～99％，陶瓷粉0.1～35％，纳米碳0.01～15％。其中，金属粉作为复合材料基体；陶瓷粉作为耐磨填充材料；纳米碳包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管等材料，主要用于提高复合材料的导热性能、强度、韧性及耐磨等性能。本发明涉及的耐磨复合材料可在重载、高速、长时间制动条件下，保持稳定的摩擦系数和较低的磨损率。

Description

一种纳米碳增强的耐磨复合材料

技术领域

本发明涉及材料技术领域，尤其是涉及金属基耐磨材料领域，具体涉及一种纳米碳材料增强的耐磨复合材料。

背景技术

耐磨材料，是新材料领域的核心，对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，在全球新材料研究领域中，耐磨材料约占85％。同时，耐磨材料是以车辆为代表的交通工具中最关键的安全零件之一，对制动效果的起决定性作用。现有的常规制动材料，如半金属基合成材料、铜基/铁基耐磨材料等，无论是摩擦系数和运行平稳性，还是导热性、耐磨性等方面均有较大的提升空间。

碳纳米管，于1991年被日本科学家发现。管壁上每个碳原子间通过有“最强化学键”之称的sp2杂货轨道相结合。碳纳米管的抗拉强度达到50～200GPa，是钢的100倍，比常规石墨纤维高一个数量级；碳纳米管的比重只有钢的1/6；碳纳米管的导热系数约为6000W/(m·K)，与金刚石相当，是铜的14倍，氧化铝的160倍。

现有技术中的耐磨材料通常是掺入石墨，但其材料的实际能达到的电阻率、抗压强度还有提升的空间。

发明内容

本发明要解决的现有技术是提供一种纳米碳增强的耐磨复合材料，通过在配方中引入纳米碳材料，达到导热性、强度、硬度和耐磨性明显提升的新型耐磨复合材料。

为解决上述技术问题，本发明第一方面提供一种纳米碳增强的耐磨复合材料，其按质量百分比包括，金属粉55～99％，陶瓷粉0.1～35％，纳米碳0.01～15％。

优选地，纳米碳增强的耐磨复合材料，其按质量百分比包括，金属粉60～99％，陶瓷粉0.1～35％，碳纳米管0.01～10％。

优选地，纳米碳增强的耐磨复合材料，其按质量百分比包括，金属粉62～95％，陶瓷粉1～35％，碳纳米管0.1～8.0％。

优选地，纳米碳增强的耐磨复合材料，其按质量百分比包括，金属粉65～95％，陶瓷粉4～35％，碳纳米管0.5～4.0％。

优选地，纳米碳增强的耐磨复合材料，其按质量百分比包括，金属粉65～95％，陶瓷粉4～35％，碳纳米管0.5～3.0％。；更优选地，纳米碳增强的耐磨复合材料，其按质量百分比包括，金属粉63～95％，陶瓷粉4～35％，碳纳米管0.1～2.0％。

本发明一优选技术方案中，所述的金属粉选自铜粉、铁粉、钛粉、镍粉、锡粉、锌粉、铝粉、锰粉、铬粉中的一种或几种混合；所述的金属粉优选选自铜粉、铁粉、锰粉、铬粉中的一种或其混合；所述的金属粉的粒径为0.1～500微米。

本发明一优选技术方案中，所述的陶瓷粉选自碳化物、氮化物、硫化物、硼化物、氧化物中一种或两种以上的任意比例混合物，优选选自碳化物、氮化物、硫化物，所述的陶瓷粉的粒径为0.05～300微米。

所述碳化物选自碳化硅、碳化硼等碳化物或其混合；所述氮化物选自氮化硅、氮化硼等氮化物或其混合；所述硫化物选自硫化锑、硫化钼等硫化物或其混合；所述硼化物选自硼化锆、硼化铝等硼化物或其混合；所述氧化物选自氧化铝，二氧化硅等氧化物或其混合。

本发明一优选技术方案中，上述碳纳米管选自单壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的一种或两种的任意比例混合物，以粉末的形式加入，所述碳纳米管的外径为10～120纳米，长度1～10微米。

本发明的第二方面提供一种纳米碳增强的耐磨复合材料的制备方法，其包括如下步骤：

1)取碳纳米管、陶瓷粉，75℃-90℃烘干待用；

2)在洁净的混合机中依次投入碳纳米管、金属粉，混合均匀后，再投入陶瓷粉继续混合至均匀；

3)从混合均匀的粉料中取适量放入圆片状成型模具中，并通过常温冷压成型方式压制成生坯；

4)将冷压成型的生坯放入烧结炉中，在惰性保护气氛下进行烧结，烧结过程中，在垂直方向持续施加压力，并保持到烧结后冷却结束；

5)烧结完成后材料在保护气氛和持续压力作用下随炉自然冷却，烧结炉温度降至100℃以下后，开炉，卸压，取料。

本发明提供的耐磨复合材料，通过以金属粉末为基体；配方中陶瓷粉作为耐磨填充材料，用于提高金属基体的摩擦系数；纳米碳主要用于提高复合材料的导热性能、强度、韧性及耐磨性能。

本发明在金属与陶瓷复合的基体材料中引入碳纳米管，在基体中形成三维导热网络结构。在复合材料的成型过程中，一方面，碳纳米管可提高复合材料整体温度的均匀性，减少成型过程产生的残余应力，降低残余应力对材料屈服极限、疲劳寿命、抗变形性能等方面的影响，延长使用寿命；另一方面，碳纳米管对于金属的变形可起到钉扎位错的作用，同时碳纳米管表面大量的结构缺陷可作为晶核存在，从而阻止在烧结过程形成大尺寸晶粒，即通过晶粒细化作用，提高基体材料的强度、韧性、耐磨性等性能。

在复合材料的使用过程中，碳纳米管可提高材料导热性能，有效提高耐磨材料的整体温度均匀性，并降低其表面温度，达到升热、不升温的效果。从而使耐磨材料在各种使用环境，尤其在重载、高速、长时间制动时，仍能输出稳定的摩擦系数，同时降低磨损，延长使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例1制备碳纳米管增强铜基耐磨材料所用的多壁碳纳米管

图2为本发明实施例1制备碳纳米管增强铜基耐磨材料的原料混合效果

图3为本发明实施例1制备碳纳米管增强铜基耐磨材料的碳纳米管CNT含量与材料摩擦系数、磨损率、硬度的关系。

具体实施方式

以下结合附图描述本发明具体实施方式。

实施例1

本实施例中涉及的纳米碳增强的耐磨复合材料，其成分包括：铜基体，粒径为5～10微米；陶瓷粉为碳化硅和二硫化钼，粒径为300纳米为到3微米；纳米碳选择多壁碳纳米管，其外径为50～80纳米，长度为3～5微米。复合材料配方按重量比计，包括铜粉75％、碳化硅10％、二硫化钼12％、碳纳米管3％。为对比CNT应用效果，本实施例用相同重量的1000目片状石墨粉(粒径约13um)，替代碳纳米管，在相同条件下制备对比样品。具体制备方法如下：

1)将碳纳米管、碳化硅、二硫化钼等组分的粉料在85℃烘干，待用；

2)以铜粉为基体，按上述配方比例加入碳纳米管干粉、碳化硅、二硫化钼等陶瓷粉原料，混合均匀；

3)从混合均匀的粉料中取少量放入圆片状成型模具中，并通过常温冷压成型方式压制成生坯；

4)将冷压成型的生坯放入烧结炉中，在氩气保护气氛下进行烧结，烧结过程中，在垂直方向持续施加压力，并保持到烧结后冷却结束；

5)烧结完成后材料在保护气氛和持续压力作用下随炉自然冷却，烧结炉温度降至100℃以下后，开炉，卸压，取料。

6)对所取样品进行摩擦系数、磨损率和硬度测试。

相对于现有常规耐磨材料普通采用的片状石墨，经测试，实施例1所提供的碳纳米管增强耐磨材料的摩擦系数、磨损率均有明显降低，最大降幅依次约为58％、78％，硬度提升最高约48％。证明碳纳米管在提高复合材料综合耐磨性能方面，相对石墨材料具有明显的优势。

实施例2

本实施例中涉及的纳米碳增强的耐磨复合材料，其成分包括：铁粉(粒径70～100微米)，铜粉(粒径50～100微米)，锰粉(粒径50～100微米)，铬粉(粒径50～100微米)，二硫化钼粉(粒径50～100微米)，纳米碳选择单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的4：1混合物，其中单壁碳纳米管外径为2纳米，长度为10～30微米，多壁碳纳米管外径为30～60纳米，长度为5～15微米。复合材料配方按重量比计，包括铁粉70％，铜粉16％，锰粉8％，铬粉4％，二硫化钼7％，碳纳米管1％。为对比CNT应用效果，用等重量200目片状石墨粉(粒径约75微米)，替代碳纳米管，在相同条件下制备对比样品。具体制备方法如下：

1)将碳纳米管、二硫化钼粉充分烘干，待用；

2)在洁净的混合机中依次投入碳纳米管、铁粉、锰粉、铬粉，混合均匀后，投入二硫化钼粉、铜粉，继续混合至均匀；

3)从混合均匀的粉料中取少量放入圆片状成型模具中，并通过常温冷压成型方式压制成生坯；

4)将冷压成型的生坯放入烧结炉中，在氩气气氛下进行烧结，烧结过程中，在垂直方向持续施加压力，并保持到烧结后冷却结束；

5)烧结完成后材料在保护气氛和持续压力作用下随炉自然冷却，烧结炉温度降至100℃以下后，开炉，卸压，取料。

6)对所取样品进行摩擦系数、磨损率和硬度测试。

实施例2提供的耐磨复合材料，经测试，其摩擦系数、磨损率均有降低，相对于相对石墨材料的对照最大降幅依次约为41％、70％，硬度提升最高约37％。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种纳米碳增强的耐磨复合材料，其特征在于，其包括如下组分及质量百分比：金属粉55～99％，陶瓷粉0.1～35％，碳纳米管0.01～15％。

2.根据权利要求1所述的纳米碳增强的耐磨复合材料，其特征在于，其按质量百分比包括，金属粉60～99％，陶瓷粉0.1～35％，碳纳米管0.01～10％。

3.根据权利要求1所述的纳米碳增强的耐磨复合材料，其特征在于，所述的金属粉选自铜粉、铁粉、钛粉、镍粉、锡粉、锌粉、铝粉、锰粉、铬粉中的一种或几种混合。

4.根据权利要求1所述的纳米碳增强的耐磨复合材料，其特征在于，所述的金属粉选自铜粉、铁粉、锰粉、铬粉的一种或它们的混合。

5.如权利要求1所述的纳米碳增强的耐磨复合材料，其特征在于，所述的陶瓷粉选自碳化物、氮化物、硫化物、硼化物、氧化物中一种或两种以上的混合。

6.如权利要求5所述的纳米碳增强的耐磨复合材料，其特征在于，所述碳化物选自碳化硅、碳化硼或其混合；所述氮化物选自氮化硅、氮化硼或其混合；所述硫化物选自硫化锑、硫化钼或其混合；所述硼化物选自硼化锆、硼化铝或其混合；所述氧化物选自氧化铝，二氧化硅或其混合。

7.如权利要求1所述的纳米碳增强的耐磨复合材料，其特征在于，所述碳纳米管选自单壁碳纳米管、多壁碳纳米管中或其二者任意比例混合。

8.如权利要求1所述的纳米碳增强的耐磨复合材料，其特征在于，所述碳纳米管的外径为10～120纳米，长度1～10微米。

9.如权利要求1所述的纳米碳增强的耐磨复合材料，其特征在于，所述的金属粉的粒径为0.1～500微米；所述的陶瓷粉的粒径为0.05～300微米。

10.一种如权利要求1所述的纳米碳增强的耐磨复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)取碳纳米管、陶瓷粉，75℃-90℃烘干待用；

2)在洁净的混合机中依次投入碳纳米管、金属粉，混合均匀后，再投入陶瓷粉继续混合至均匀；

3)从混合均匀的粉料中取适量放入圆片状成型模具中，并通过常温冷压成型方式压制成生坯；

4)将冷压成型的生坯放入烧结炉中，在惰性保护气氛下进行烧结，烧结过程中，在垂直方向持续施加压力，并保持到烧结后冷却结束；

5)烧结完成后材料在保护气氛和持续压力作用下随炉自然冷却，烧结炉温度降至100℃以下后，开炉卸压取料。