CN107365952B - 一种碳/碳-铜复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于碳/碳复合材料领域，公开一种碳/碳‑铜复合材料的制备方法。采用碳纤维针刺毡作为预制体，经化学气相渗透工艺制备得到C/C多孔体；将熔盐和钼酸铵研磨混匀，其中钼酸铵占混合盐的质量分数为5~15%；将C/C多孔体包埋于混合盐中，一同置于石墨坩埚内，同时将铜网覆盖于混合盐表面，再将石墨坩埚放置在微波马弗炉内进行热处理，在真空或者惰性气氛保护下，先在900~1100℃下保温0.5~2h，继而在1100~1300℃下保温0.5~2h，之后随炉降温冷却；取出石墨坩埚内所得坯体，经水洗后干燥处理，即得碳/碳‑铜复合材料。本发明在微波和熔盐同时存在下，微波能够促进熔盐离子的迁移，增加反应物的碰撞几率，提高反应速率，进而大大缩短反应时间。

Description

一种碳/碳-铜复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于碳/碳复合材料领域，具体涉及一种碳/碳-铜复合材料的制备方法。
背景技术
C/Cu复合材料是目前应用较广泛的一种滑动导电材料，其综合了炭材料优良的摩擦磨损性能和铜合金优良的导电性能。但由于Cu、C两相不润湿，因此二者界面结合较差，且由于石墨本身力学性能的不足，C/Cu复合材料通常存在致密度偏低、导电和力学性能较差的问题。因此具有相互连通组织结构的C/C-Cu复合材料成为近年来该领域的研究热点，广泛应用于滑动电接触领域，如电机电刷、电力机车滑板及断开接触元件的电触头等。
目前对于C/C-Cu复合材料制备中的关键问题是解决Cu、C不润湿，主要制备方法包括模压法、金属熔渗法和铜网改性法三种。模压法可以通过调整镀铜粉末的铜含量来调节材料的导电性能和导热性能，也可以对模压成型后的材料进行树脂浸渗和烧结处理以进一步提髙材料的致密性和机械性能。因此，模压法制备的复合材料具有优异的摩擦磨损性能、机械性能和导电性能，但其对设备的要求较高，且模具的生产周期长、成本高。铜网改性制得的复合材料密度低、机械性能髙、导电性能良好、摩擦磨损性能好，但与界面结合状态有待进一步改善，成本有待进一步降低。铜或者铜合金浸渗法具有工艺简单、可实现复杂材料的一次性成型、适于产品的批量化生产，但也存在成本高、周期长等问题。目前熔渗的关键是改善C相与铜相的润湿性，国内外一些研究通过加入Cu6Ti或者Cu-Ti合金来浸渗，发现适量的添加可以显著改善炭相与铜合金之间的界面润湿性，但由于合金元素与C相反生成脆性很大的TiC，不利于复合材料综合性能的发挥。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种碳/碳-铜复合材料的制备方法，具有工艺简单、易控制、反应速度快等优点，克服了现有技术中铜与碳界面润湿性较差等缺点。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种碳/碳-铜复合材料的制备方法，步骤如下：
（1）、采用碳纤维针刺毡作为预制体，经化学气相渗透工艺制备得到C/C多孔体；
（2）、将熔盐和钼酸铵研磨混匀，其中钼酸铵占混合盐的质量分数为5~15%；所述熔盐为LiCl、KCl两者的组合；
（3）、将步骤（1）所得C/C多孔体包埋于步骤（2）所得混合盐中，一同置于石墨坩埚内，同时将铜网覆盖于混合盐表面，再将石墨坩埚放置在微波马弗炉内对进行热处理，在真空或者惰性气氛保护下，先在900~1100℃下保温0.5~2h，继而在1100~1300℃下保温0.5~2h，之后随炉降温冷却；
（4）、取出石墨坩埚内所得坯体，经水洗后干燥处理，即得碳/碳-铜复合材料。
较好地，步骤（1）中，C/C多孔体的密度为1.0~1.4g/cm3。
较好地，步骤（2）中，所述熔盐为LiCl与KCl两者的组合时，LiCl与KCl的物质的量比为1~3。
较好地，步骤（2）中，所述研磨的方式为在研钵中手动研磨或者在高能球磨机中研磨。
较好地，研磨的时间为20~60min。
较好地，步骤（3）中，所述微波马弗炉的升温速率为5~10℃/min。
本发明提供一种微波熔盐条件下制备碳/碳-铜复合材料的方法。本发明利用微波熔盐的方法先在C/C多孔体内表面制备得到碳化钼涂层，继而熔融铜可自发渗入具有碳化钼涂层的C/C多孔体。在微波和熔盐同时存在下，微波能够促进熔盐离子的迁移，增加反应物的碰撞几率，提高反应速率，进而大大缩短反应时间。其中LiCl和KCl达到熔融状态后，钼酸铵分解得到的氧化钼能够溶解并随熔融盐渗入C/C复合材料内部，进而与碳反应得到碳化钼涂层，继续升温后铜能够熔融并自发渗入C/C复合材料内部，碳化钼很好地改善了铜与C的界面润湿性差的问题，从而实现了熔融Cu对低密度多孔C/C坯体的渗透，得到致密性良好的碳/碳-铜复合材料。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
实施例1
一种碳/碳-铜复合材料的制备方法，步骤如下：
（1）、采用碳纤维针刺毡作为预制体，经化学气相渗透工艺制备得到密度为1.1g/cm3的C/C多孔体；
（2）、将熔盐和钼酸铵在研钵中手动研磨30min，其中钼酸铵占混合盐的质量分数为10%；所述熔盐为LiCl与KCl两者的组合，LiCl与KCl的物质的量比为59.2︰40.8；
（3）、将步骤（1）所得C/C多孔体包埋于步骤（2）所得混合盐中，一同置于石墨坩埚内，同时将铜网覆盖于混合盐表面，再将石墨坩埚放置在微波马弗炉内对进行热处理，设定微波马弗炉的升温速率为10℃/min，在惰性气氛保护下，先在1000℃下保温0.5h，继而在1200℃下保温2h，之后随炉降温冷却；
（4）、取出石墨坩埚内所得坯体，经水洗后干燥处理，即得碳/碳-铜(C/C-Cu)复合材料。
本实施例制得的C/C-Cu复合材料的密度为4.9g/cm3，弯曲强度为268MPa，平行方向电阻率为0.35μΩ·m。
实施例2
一种碳/碳-铜复合材料的制备方法，步骤如下：
（1）、采用碳纤维针刺毡作为预制体，经化学气相渗透工艺制备得到密度为1.3g/cm3 C/C多孔体；
（2）、将熔盐和钼酸铵在研钵中手动研磨20min，其中钼酸铵占混合盐的质量分数为5%；所述熔盐为LiCl与KCl两者的组合，LiCl与KCl的物质的量比为50.6︰49.4；
（3）、将步骤（1）所得C/C多孔体包埋于步骤（2）所得混合盐中，一同置于石墨坩埚内，同时将铜网覆盖于混合盐表面，再将石墨坩埚放置在微波马弗炉内对进行热处理，设定微波马弗炉的升温速率为5℃/min，在惰性气氛保护下，先在900℃下保温1h，继而在1250℃下保温1.5h，之后随炉降温冷却；
（4）、取出石墨坩埚内所得坯体，经水洗后干燥处理，即得碳/碳-铜(C/C-Cu)复合材料。
本实施例制得的C/C-Cu复合材料的密度为3.8g/cm3，弯曲强度为249MPa，平行方向电阻率为0.80μΩ·m。
实施例3
一种碳/碳-铜复合材料的制备方法，步骤如下：
（1）、采用碳纤维针刺毡作为预制体，经化学气相渗透工艺制备得到密度为1.5g/cm3 C/C多孔体；
（2）、将熔盐和钼酸铵在高能球磨机中研磨60min，其中钼酸铵占混合盐的质量分数为15%；所述熔盐为LiCl与KCl两者的组合，LiCl与KCl的物质的量比为50.6︰49.4；
（3）、将步骤（1）所得C/C多孔体包埋于步骤（2）所得混合盐中，一同置于石墨坩埚内，同时将铜网覆盖于混合盐表面，再将石墨坩埚放置在微波马弗炉内对进行热处理，设定微波马弗炉的升温速率为5℃/min，在惰性气氛保护下，先在950℃下保温1.5h，继而在1300℃下保温1h，之后随炉降温冷却；
（4）、取出石墨坩埚内所得坯体，经水洗后干燥处理，即得碳/碳-铜(C/C-Cu)复合材料。
本实施例制得的C/C-Cu复合材料的密度为3.2g/cm3，弯曲强度为193MPa，平行方向电阻率为1.45μΩ·m。
对照例1
与实施例1的不同之处在于：步骤（3）中，将“铜网覆盖于混合盐表面”替换为“一根铜棒悬置于混合盐表面”。
本对照例制得的C/C-Cu复合材料的密度为1.67-3.75g/cm3；弯曲强度为126MPa；平行方向电阻率为2-27μΩ·m。表明：铜棒悬置于混合盐表面时，熔融铜在熔盐中不能很好地分散均匀，造成C/C-Cu存在严重的密度梯度和电阻率梯度。

Claims (1)

1.一种碳/碳-铜复合材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：
（1）、采用碳纤维针刺毡作为预制体，经化学气相渗透工艺制备得到密度为1.1g/cm3的C/C多孔体；
（2）、将熔盐和钼酸铵研磨混匀，其中钼酸铵占混合盐的质量分数为10%；所述熔盐为LiCl与KCl两者的组合，LiCl与KCl的物质的量比为59.2∶40.8；
（3）、将步骤（1）所得C/C多孔体包埋于步骤（2）所得混合盐中，一同置于石墨坩埚内，同时将铜网覆盖于混合盐表面，再将石墨坩埚放置在微波马弗炉内进行热处理，在真空或者惰性气氛保护下，先在1000℃下保温0.5h，继而在1200℃下保温2h，之后随炉降温冷却；
（4）、取出石墨坩埚内所得坯体，经水洗后干燥处理，即得碳/碳-铜复合材料。
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