CN105543545A - 一种短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料及其制备方法 - Google Patents

一种短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料及其制备方法，解决了短碳纤维和石墨烯在基体中分散不均的问题，获得了铜基复合材料良好的耐磨性能。所述短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料含有下列重量百分比的化学成分：短碳纤维0.5-3.0wt％，石墨烯1.0-4.0wt％，余量为Cu。该短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料的制备方法包括复合材料混合粉体的制备及复合材料的烧结两个步骤。本发明石墨烯/铜基复合材料的生产工艺简单，提高了生产效率，降低了生产成本，制备出的复合材料组织致密，摩擦系数低，耐磨性佳。

Description

一种短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料及其制备方法
技术领域
本发明属于金属基复合材料领域，具体涉及一种短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料及其制备方法。
背景技术
铜基复合材料是指通过向铜和铜合金基体中引入增强体，能够在保持基体材料韧性的同时提高其室温和高温屈服及抗拉强度，提高疲劳强度、弹性模量、耐磨性等性能，降低基体材料的热膨胀系数，很大程度上弥补铜和铜合金性能的不足。作为增强体材料，碳纤维有多种优异的性能特点，如：低比重、高强度和高模量；耐摩擦、耐腐烛和耐疲劳；振动衰减性高、电与热传导性高、热膨胀系数低、X光穿透性高，且为非磁性材料，并有着很强的电磁遮蔽性等等，尤其是碳纤维在具备很高强度的同时，还能呈现出良好的刚性；并且在高性能纤维行列中，有着最高的比强度(强度/密度)和比模量(模量/密度)，其作为增强材料广泛地应用于树脂和金属基复合材料中。碳纤维增强铜基复合材料综合了两种材料的优点，可用作电子封装材料、电接触材料、热交换材料等。由于长纤维的价格、其复合材料性能的各向异性以及制备工艺复杂等缺点，使得短纤维增强复合材料显出优势。此外，石墨烯在力学、电学和热学等方面都具有奇特而优异的性能，如本征强度比钢高100倍，比表面积大、载流子迁移率高和热导率优异。同时，石墨烯作为一类碳材料，还具有良好的自润滑性能。因此，添加石墨烯既能够提高铜基体的强度、硬度和热膨胀稳定性，又能够同时获得优良的导电和耐磨性能。基于两种增强体显著的性能，人们已利用各种方法制备出一系列短碳纤维/铜基复合材料和石墨烯/铜基复合材料。然而迄今为止，短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料未有任何报道。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明旨在通过选用耐磨性能优异的短碳纤维和石墨烯作为增强体，解决短碳纤维和石墨烯在基体中分散不均的问题，获得了铜基复合材料良好的耐磨性能，从而提供一种短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料，本发明的另一目的在于提供该耐磨材料的制备方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料，含有以下重量百分比的组分：短碳纤维0.5-3.0wt％，石墨烯1.0-4.0wt％，余量为Cu。
本发明还提供了一种上述短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料的制备方法，包括复合材料混合粉体的制备及复合材料的烧结两个步骤，包括以下步骤：
(1)复合材料混合粉体的制备：量取氧化石墨烯水溶液，在电动搅拌的情况下，向氧化石墨烯水溶液中加入短碳纤维，搅拌得到短碳纤维和氧化石墨烯水溶液混合浆料，加入质量分数为80％的水合肼溶液，再加入Cu粉，180–240r/min转速下搅拌2-4h成泥浆状，获得复合材料混合粉体泥浆，随后使之完全冷冻成冰，然后将冻实的复合材料混合粉体泥浆使用真空度为1–10Pa的冷冻干燥箱去除水分和水合肼，即得到复合材料混合粉体；
(2)复合材料的烧结：将步骤(1)得到的复合材料混合粉体装入钢制模具中，使用粉末压力机将复合材料混合粉体冷压成型，然后将冷压成型的复合材料混合粉体置于真空热压烧结炉中进行热压烧结，烧结完成并冷至室温后，脱模即得短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料。
作为优选，所述步骤(1)中氧化石墨烯水溶液的浓度为15–20mg/mL。
作为优选，所述步骤(1)中短碳纤维的长度为1–2mm。
作为优选，所述步骤(1)中水合肼溶液的加入量按水合肼溶液与氧化石墨烯水溶液的体积比为1：500计算。
作为优选，所述步骤(1)中短碳纤维和氧化石墨烯水溶液混合浆料的搅拌时间为2-3h，搅拌速率为250–360r/min。
作为优选，所述步骤(1)中Cu粉的粒径为5–20μm。
作为优选，所述步骤(1)中复合材料混合粉体泥浆的冷冻温度为-60–-40℃，冷冻时间为4-8h。
作为优选，所述步骤(2)中复合材料混合粉体冷压成型的压力为450–550MPa。
作为优选，所述步骤(2)中冷压成型的复合材料混合粉体的热压烧结条件如下：真空度在0.1Pa以下，施加压力为45–65MPa，加热程序控制为：先以70-90℃/h升至400℃，再以150-180℃/h的速率升至850–950℃，保温2-3h后，开始降温，至炉冷至100℃取出空气冷却至室温。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明的短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料的组分含量合理，含有一定量的短碳纤维和石墨烯增强体，增强体在基体中的分散均匀性好，该短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料具有优异的耐磨性能。
2.本发明制备方法容易操作，工艺简单，成本低，周期短，复合材料的组织容易控制且稳定性好，并可根据实际需要调配增强体含量。
3.复合材料中石墨烯和短碳纤维本身具有的自润滑性能降低了复合材料的摩擦系数，摩擦系数为0.03–0.038，磨损率为3.4–11.3×10-5mm3/Nm，，具有高的耐磨性，应用前景广阔。
附图说明
图1为实施例1所述0.5wt％短碳纤维复合2.5wt％石墨烯强化铜基复合材料的微观组织图。
图2为实施例2所述1.0wt％短碳纤维复合2.5wt％石墨烯强化铜基复合材料的微观组织图。
图3为实施例1所述1.5wt％短碳纤维复合2.5wt％石墨烯强化铜基复合材料的微观组织图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此。
实施例1
本实施例以生产0.5wt％短碳纤维复合2.5wt％石墨烯强化铜基复合材料(300克)为例，该复合材料含有如下重量百分比的组分：短碳纤维0.5wt％，石墨烯2.5wt％，余量为Cu。
该短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料的制备方法为：
(1)复合材料混合粉体的制备：量取浓度为18mg/mL的氧化石墨烯水溶液420mL，在转速为250r/min电动搅拌的情况下，向氧化石墨烯水溶液中加入1～2mm的短碳纤维1.5g，搅拌时间为2.5h后，加入质量分数为80％的水合肼溶液13.84mL；再加入粒径为5–20μm的Cu粉291g，电动搅拌3h，使之搅拌成泥浆状，获得复合材料混合粉体泥浆，随后将其放入-50℃的低温环境中冷冻6h使之完全冷冻成冰，然后将冻实的复合材料混合粉体泥浆使用真空度为3Pa的冷冻干燥箱去除水分和水合肼，即得到复合材料混合粉体；
(2)复合材料的烧结：将步骤(1)得到的复合材料混合粉体装入钢制模具中，使用粉末压力机以550MPa的压强将复合材料混合粉体冷压成型。然后将冷压成型的复合材料混合粉体置于真空热压烧结炉中进行热压烧结,真空度在0.1Pa以下，施加压力为50MPa，先以70℃/h升至400℃，再以160℃/h的速率升至950℃，保温2h后，开始降温，至炉冷至100℃取出空气冷却至室温，取出并脱模即得短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料，其微观组织如图1所示。该复合材料中短碳纤维复合石墨烯增强体呈现均匀的三维混杂分布，短碳纤维和石墨烯增强体具有自润滑效果，三维混杂短碳纤维复合石墨烯均匀分散形式有助于提高复合材料的耐磨性能。
该实施例复合材料的性能如下：在施加载荷为20N时的摩擦系数为0.035，体积磨损率为9.1×10-5mm3/Nm。
实施例2
本实施例以生产1.0wt％短碳纤维复合2.5wt％石墨烯强化铜基复合材料(300克)为例，该复合材料含有如下重量百分比的组分：短碳纤维1.0wt％，石墨烯2.5wt％，余量为Cu。
该短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料的制备方法为：
(1)复合材料混合粉体的制备：量取浓度为18mg/mL的氧化石墨烯水溶液420mL，在转速为300r/min电动搅拌的情况下，向氧化石墨烯水溶液中加入1～2mm的短碳纤维3.0g，搅拌时间为3h后，加入质量分数为80％的水合肼溶液9.22mL；再加入粒径为5–20μm的Cu粉289.5g，电动搅拌3h，使之搅拌成泥浆状，获得复合材料混合粉体泥浆，随后将其放入-50℃的低温环境中冷冻8h使之完全冷冻成冰，然后将冻实的复合材料混合粉体泥浆使用真空度为2Pa的冷冻干燥箱去除水分和水合肼，即得到复合材料混合粉体；
(2)复合材料的烧结：将步骤(1)得到的复合材料混合粉体装入钢制模具中，使用粉末压力机以550MPa的压强将复合材料混合粉体冷压成型。然后将冷压成型的复合材料混合粉体置于真空热压烧结炉中进行热压烧结，真空度在0.1Pa以下，施加压力为55MPa，先以70℃/h升至400℃，再以160℃/h的速率升至900℃，保温2h后，开始降温，炉冷至100℃取出空冷至室温，脱模即得短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料，其微观组织如图2所示。该复合材料中短碳纤维复合石墨烯增强体呈现均匀的三维混杂分布，短碳纤维和石墨烯增强体具有自润滑效果，三维混杂短碳纤维复合石墨烯均匀分散形式有助于提高复合材料的耐磨性能，复合材料中高的碳纤维含量降低了材料的摩擦系数和体积磨损率。
该实施例复合材料的性能如下：在施加载荷为20N时的摩擦系数为0.033，体积磨损率为6.3×10-5mm3/Nm。
实施例3
本实施例以生产1.5wt％短碳纤维复合2.5wt％石墨烯强化铜基复合材料(300克)为例，该复合材料含有如下重量百分比的组分：短碳纤维1.5wt％，石墨烯2.5wt％，余量为Cu。
该短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料的制备方法为：
(1)复合材料混合粉体的制备：量取浓度为18mg/mL的氧化石墨烯水溶液420mL，在转速为300r/min电动搅拌的情况下，向氧化石墨烯水溶液中加入1～2mm的短碳纤维4.5g，搅拌时间为3h后，加入质量分数为80％的水合肼溶液9.22mL；再加入粒径为5–20μm的Cu粉288g，电动搅拌3h，使之搅拌成泥浆状，获得复合材料混合粉体泥浆，随后将其放入-60℃的低温环境中冷冻5h使之完全冷冻成冰，然后将冻实的复合材料混合粉体泥浆使用真空度为5Pa的冷冻干燥箱去除水分和水合肼，即得到复合材料混合粉体；
(2)复合材料的烧结：将复合材料混合粉体装入钢制模具中，使用粉末压力机以500MPa的压强将复合材料混合粉体冷压成型。然后将冷压成型的混合粉体置于真空热压烧结炉中进行热压烧结,真空度在0.1Pa以下，施加压力为55MPa，先以80℃/h升至400℃，再以180℃/h的速率升至950℃，保温3h后，开始降温，炉冷至100℃取出空冷至室温，脱模即得短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料，其微观组织如图3所示。该复合材料中短碳纤维复合石墨烯增强体呈现均匀的三维混杂分布，短碳纤维和石墨烯增强体具有自润滑效果，三维混杂短碳纤维复合石墨烯均匀分散形式有助于提高复合材料的耐磨性能，复合材料中高的碳纤维含量降低了材料的摩擦系数和体积磨损率。
该实施例复合材料的性能如下：在施加载荷为20N时的摩擦系数为0.031，体积磨损率为4.9×10-5mm3/Nm。
以上实施例只是对本发明的技术构思起到说明示例作用，并不能以此限制本发明的保护范围，本领域技术人员在不脱离本发明技术方案的精神和范围内，进行修改和等同替换，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料，其特征在于，所述复合材料含有以下重量百分比的组分：短碳纤维0.5-3.0wt％，石墨烯1.0-4.0wt％，余量为Cu。
2.一种根据权利要求1所述的短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)复合材料混合粉体的制备：量取氧化石墨烯水溶液，在电动搅拌的情况下，向氧化石墨烯水溶液中加入短碳纤维，搅拌得到短碳纤维和氧化石墨烯水溶液混合浆料，加入质量分数为80％的水合肼溶液，再加入Cu粉，180–240r/min转速下搅拌2-4h成泥浆状，获得复合材料混合粉体泥浆，随后使之完全冷冻成冰，然后将冻实的复合材料混合粉体泥浆在真空度为1–10Pa的冷冻干燥箱中去除水分和水合肼，即得到复合材料混合粉体；
(2)复合材料的烧结：将步骤(1)得到的复合材料混合粉体装入钢制模具中，使用粉末压力机将复合材料混合粉体冷压成型，然后将冷压成型的复合材料混合粉体置于真空热压烧结炉中进行热压烧结，烧结完成并冷至室温后，脱模即得短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料。
3.根据权利要求2所述的短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中氧化石墨烯水溶液的浓度为15–20mg/mL。
4.根据权利要求2所述的短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中短碳纤维的长度为1–2mm。
5.根据权利要求2所述的短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中水合肼溶液的加入量按水合肼溶液与氧化石墨烯水溶液的体积比为1：500计算。
6.根据权利要求2所述的短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中Cu粉的粒径为5–20μm。
7.根据权利要求2所述的短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中复合材料混合粉体泥浆的冷冻温度为-60–-40℃，冷冻时间为4-8h。
8.根据权利要求2所述的短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中复合材料混合粉体冷压成型的压力为450–550MPa。
9.根据权利要求2所述的短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中冷压成型的复合材料混合粉体的热压烧结条件如下：真空度在0.1Pa以下，施加压力为45–65MPa，加热程序控制为：先以70-90℃/h升至400℃，再以150-180℃/h的速率升至850–950℃，保温2-3h后，开始降温，至炉冷至100℃取出空气冷却至室温。
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