CN107022690A - 一种通过压力浸渗铝合金制备铝/碳基复合材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过压力浸渗铝合金制备铝/碳基复合材料的方法，首先将石油焦、沥青焦、石墨和炭黑粉混合均匀，置入混捏机中预热后加入高温沥青捏合，粉碎后获得粉料；随后采用模压预成型和温压成型方式制备碳预制素坯，碳预制素坯再经高温煅烧后得到碳基多孔预制件；最后采用快速加压至2‑15MPa压力浸渗的方式在700‑800℃向碳基多孔预制件中浸渗液态铝合金，获得铝/碳基复合材料。本发明可制得具有优良耐磨性和自润滑性、低电阻率、低密度、结构均匀致密、较高的机械强度和冲击韧性等特点的铝/碳基复合材料。

Description

一种通过压力浸渗铝合金制备铝/碳基复合材料的方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料的制备方法，具体地说是一种通过压力浸渗铝合金制备铝/碳基复合材料的方法。
背景技术
随着我国高速铁路和电气化铁路的飞速发展，降低铁路接触网导线和滑板的磨损，提高自润滑性能和使用寿命成为了世界铁路发展重要的研究项目。
电力机车的牵引动力通过受电弓滑板取自于与之相连的供电系统。受电弓滑板在供电系统中发挥着极其重要的作用。
受电弓滑板主要有三大类：粉末冶金滑板、纯碳滑板和浸金属碳滑板。粉末冶金滑板具有机械强度高和电阻率低的特点，但由于其对接触网导线磨损严重在一些工业发达国家逐渐被碳滑板取代。纯碳滑板自润滑性能优越，但强度较低，稳定性较差。浸金属碳基复合材料成为结合粉末冶金滑板和纯碳滑板二者优越性能的理想材料。现在较多出现的铜/碳基复合材料正在大量应用于现代高速铁路中，但由于铜与碳浸润性较差，铜/碳复合材料中存在较多缺陷影响了滑板整体的致密性、机械强度和运行稳定性，并且其密度仍然较高。
发明内容
本发明旨在提供一种通过压力浸渗铝合金制备铝/碳基复合材料的方法。本发明铝/碳基复合材料具有优良的耐磨和自润滑性、低电阻率、低密度、结构均匀致密、较高的机械强度和冲击韧性等优点。
本发明通过压力浸渗铝合金制备铝/碳基复合材料的方法，包括如下步骤：
步骤1：将平均粒径为45-180μm的石油焦、沥青焦、石墨和炭黑混合均匀，随后在混捏机中预热至100-140℃，将高温沥青加入混捏机混捏0.5-2h，高温沥青加入量占混合物料总重的10-40wt％(混合物料是指石油焦、沥青焦、石墨和炭黑以及高温沥青的总和)，混捏后冷却，再粉碎至250μm以下制得粉料；
步骤1中，石油焦、沥青焦、石墨和炭黑的配比按质量百分比构成为：
石油焦10-50wt％，沥青焦10-52wt％，石墨5-35wt％，炭黑粉1-5wt％。
步骤2：将步骤1所得粉料先在150-200MPa压力下预压成型，再在140-170℃、150-200MPa压力下温压成型并保持1-2h，获得碳预制素坯；
步骤3：将碳预制素坯置入碳化炉中，在氮气气氛下，以2-10℃/h升温至1100-1350℃，保温24-50h，随后冷却至室温制得碳基体；
步骤4：将碳基体与铝合金装入石墨模具中，置入压力熔渗炉中以20-40℃/min升温至700-800℃，并在1-10min内快速加压至2-15MPa的压力浸渗5-60min；自然冷却至室温后出炉，脱模得到铝/碳基复合材料。
所述高温沥青为粘结剂，其软化点为100-120℃，残碳率为50-60％wt％。调控高温沥青的加入量实现碳基体密度的可控，从而获得不同铝含量的铝/碳复合材料。
所述炭黑为N234炭黑。
所述铝合金为牌号6系列g高强导电铝合金，加入量为碳基体质量的10-40％。
由于铝和碳具有相对较好的浸润性，并且在浸渗过程中界面会形成碳化物提高铝与碳的浸润性，形成牢固致密的界面。本发明利用铝取代铜浸渗碳基体，从而获得具有优良耐磨和自润滑性、低电阻率、低密度、结构均匀致密和较高的机械强度和冲击韧性等特点的铝/碳基复合材料。本发明可通过调控沥青的加入量，实现对碳基体密度和孔隙率的调控，从而获得不同铝含量的铝/碳基复合材料。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明方法使用原料均为市售原料，来源广泛，成本低。设备工艺简单，可操作性强。
2、本发明制备过程中，长时间的混捏过程使填料颗粒表面集聚的沥青渗入填料颗粒的空隙，提高沥青的均匀程度，材料获得均一的优异性能。
3、根据实际需求，本发明方法可调控沥青含量，最终获得不同铝含量的铝/碳基复合材料。
4、本发明方法采用的浸渗金属与碳的润湿性较好，并能够在浸渗过程中形成化合物提高润湿性。
附图说明
图1是本发明实施例1所得复合材料的微观组织形貌×100。浸渗铝合金充分填充碳基体的间隙，铝合金与碳基体界面结合处致密无孔洞，铝/碳基复合材料整体结构致密，密封性好。
图2是本发明实施例1所得复合材料的断口元素分布图。铝合金较均匀分散在碳基体中，实现铝合金对碳基体的补强作用。
图3是本发明实施例1所得复合材料的断口形貌。铝/碳基复合材料微观结构致密，界面结合良好；碳基体因界面结合强度高，碳基体发生脆性断裂。
图4是本发明实施例4所得复合材料的微观组织形貌×100。浸渗铝合金呈现网格状充分填充碳基体的间隙，铝合金与碳基体界面结合处致密无孔洞，补强效果显著；铝/碳基复合材料整体结构致密，密封性好。
图5是本发明实施例4所得复合材料的断口元素分布图。铝合金铝合金较均匀分散在碳基体中，实现铝合金对碳基体的补强作用。
图6本发明实施例4所得复合材料的断口形貌。铝/碳基复合材料微观结构致密，界面结合良好；碳基体因界面结合强度高，碳基体发生脆性断裂。
具体实施方式
实施例1：
本实施例中通过压力浸渗铝合金制备铝/碳基复合材料的方法如下：
步骤1：将平均粒径为100μm的石油焦、沥青焦、石墨和炭黑混合均匀，随后在混捏机中预热至140℃，将高温沥青加入混捏机混捏2h，高温沥青加入量占混合物料总重的20wt％，混捏后冷却，再粉碎至250μm以下制得粉料；
步骤1中，石油焦、沥青焦、石墨和炭黑的配比按质量百分比构成为：
石油焦45wt％，沥青焦48wt％，石墨5wt％，炭黑粉2wt％。
步骤2：将步骤1所得粉料先在180MPa压力下预压成型，再在150℃、180MPa压力下温压成型并保持1h，获得碳预制素坯；
步骤3：将碳预制素坯置入碳化炉中，在氮气气氛下，以5℃/h升温至1150℃，保温24h，随后冷却至室温制得碳基体；
步骤4：将碳基体与铝合金装入石墨模具中，置入压力熔渗炉中以25℃/min升温至750℃，并在5min内快速加压至5MPa的压力浸渗30min；自然冷却至室温后出炉，脱模得到铝/碳基复合材料。
实施例2：
本实施例中通过压力浸渗铝合金制备铝/碳基复合材料的方法如下：
步骤1：将平均粒径为100μm的石油焦、沥青焦、石墨和炭黑混合均匀，随后在混捏机中预热至140℃，将高温沥青加入混捏机混捏1.5h，高温沥青加入量占混合物料总重的25wt％，混捏后冷却，再粉碎至250μm以下制得粉料；
步骤1中，石油焦、沥青焦、石墨和炭黑的配比按质量百分比构成为：
石油焦44wt％，沥青焦44wt％，石墨10wt％，炭黑粉2wt％。
步骤2：将步骤1所得粉料先在200MPa压力下预压成型，再在160℃、180MPa压力下温压成型并保持1h，获得碳预制素坯；
步骤3：将碳预制素坯置入碳化炉中，在氮气气氛下，以7℃/h升温至1150℃，保温24h，随后冷却至室温制得碳基体；
步骤4：将碳基体与铝合金装入石墨模具中，置入压力熔渗炉中以25℃/min升温至750℃，并在6min内快速加压至6MPa的压力浸渗20min；自然冷却至室温后出炉，脱模得到铝/碳基复合材料。
实施例3：
本实施例中通过压力浸渗铝合金制备铝/碳基复合材料的方法如下：
步骤1：将平均粒径为150μm的石油焦、沥青焦、石墨和炭黑混合均匀，随后在混捏机中预热至130℃，将高温沥青加入混捏机混捏1h，高温沥青加入量占混合物料总重的30wt％，混捏后冷却，再粉碎至250μm以下制得粉料；
步骤1中，石油焦、沥青焦、石墨和炭黑的配比按质量百分比构成为：
石油焦41wt％，沥青焦41wt％，石墨15wt％，炭黑粉3wt％。
步骤2：将步骤1所得粉料先在190MPa压力下预压成型，再在170℃、180MPa压力下温压成型并保持1h，获得碳预制素坯；
步骤3：将碳预制素坯置入碳化炉中，在氮气气氛下，以2℃/h升温至1250℃，保温48h，随后冷却至室温制得碳基体；
步骤4：将碳基体与铝合金装入石墨模具中，置入压力熔渗炉中以25℃/min升温至750℃，并在8min内快速加压至12MPa的压力浸渗30min；自然冷却至室温后出炉，脱模得到铝/碳基复合材料。
实施例4：
本实施例中通过压力浸渗铝合金制备铝/碳基复合材料的方法如下：
步骤1：将平均粒径为180μm的石油焦、沥青焦、石墨和炭黑混合均匀，随后在混捏机中预热至130℃，将高温沥青加入混捏机混捏1h，高温沥青加入量占混合物料总重的40wt％，混捏后冷却，再粉碎至250μm以下制得粉料；
步骤1中，石油焦、沥青焦、石墨和炭黑的配比按质量百分比构成为：
石油焦46wt％，沥青焦47wt％，石墨5wt％，炭黑粉2wt％。
步骤2：将步骤1所得粉料先在180MPa压力下预压成型，再在170℃、180MPa压力下温压成型并保持1.5h，获得碳预制素坯；
步骤3：将碳预制素坯置入碳化炉中，在氮气气氛下，以2℃/h升温至1250℃，保温48h，随后冷却至室温制得碳基体；
步骤4：将碳基体与铝合金装入石墨模具中，置入压力熔渗炉中以35℃/min升温至800℃，并在5min内快速加压至10MPa的压力浸渗20min；自然冷却至室温后出炉，脱模得到铝/碳基复合材料。
实施例5：
本实施例中通过压力浸渗铝合金制备铝/碳基复合材料的方法如下：
步骤1：将平均粒径为180μm的石油焦、沥青焦、石墨和炭黑混合均匀，随后在混捏机中预热至130℃，将高温沥青加入混捏机混捏1h，高温沥青加入量占混合物料总重的35wt％，混捏后冷却，再粉碎至250μm以下制得粉料；
步骤1中，石油焦、沥青焦、石墨和炭黑的配比按质量百分比构成为：
石油焦46wt％，沥青焦46wt％，石墨5wt％，炭黑粉3wt％。
步骤2：将步骤1所得粉料先在180MPa压力下预压成型，再在170℃、180MPa压力下温压成型并保持2h，获得碳预制素坯；
步骤3：将碳预制素坯置入碳化炉中，在氮气气氛下，以2℃/h升温至1250℃，保温48h，随后冷却至室温制得碳基体；
步骤4：将碳基体与铝合金装入石墨模具中，置入压力熔渗炉中以35℃/min升温至800℃，并在6min内快速加压至9MPa的压力浸渗40min；自然冷却至室温后出炉，脱模得到铝/碳基复合材料。
实施例1-5制得的复合材料的基本物理性能列见下表1：
表1材料的性能表征
由表1中的实验数据得出：
1、多孔碳基体密度越低，浸渗铝合金后得到的铝/碳基复合材料的密度越大。
2、随着复合材料中浸渗的铝合金含量的增加，铝/碳基复合材料的抗弯强度和冲击韧性得到大幅提升，硬度小幅上升。
3、伴随着基体中浸渗铝合金，复合材料中自由电子数量得以增加，复合材料的电阻率下降。

Claims (9)

1.一种通过压力浸渗铝合金制备铝/碳基复合材料的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：将平均粒径为45-180μm的石油焦、沥青焦、石墨和炭黑混合均匀，随后在混捏机中预热至100-140℃，将高温沥青加入混捏机混捏0.5-2h，混捏后冷却，再粉碎至250μm以下制得粉料；
步骤2：将步骤1所得粉料先在150-200MPa压力下预压成型，再在140-170℃、150-200MPa压力下温压成型并保持1-2h，获得碳预制素坯；
步骤3：将碳预制素坯置入碳化炉中，在氮气气氛下，升温至1100-1350℃并保温24-50h，随后冷却至室温制得碳基体；
步骤4：将碳基体与铝合金装入石墨模具中，置入压力熔渗炉中升温至700-800℃，并快速加压至2-15MPa的压力浸渗5-60min；自然冷却至室温后出炉，脱模得到铝/碳基复合材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤1中，石油焦、沥青焦、石墨和炭黑的配比按质量百分比构成为：
石油焦10-50wt％，沥青焦10-52wt％，石墨5-35wt％，炭黑粉1-5wt％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
高温沥青加入量占混合物料总重的10-40wt％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述高温沥青的软化点为100-120℃，残碳率为50-60％wt％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述炭黑为N234炭黑。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤3中，升温至1100-1350℃的升温速率为2-10℃/h。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤4中，升温至700-800℃的升温速率为20-40℃/min。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤4中，快速加压至2-15MPa是指在1-10min内加压至2-15MPa。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤4中，铝合金的加入量为碳基体质量的10-40％。
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