CN108251672B - 一种提高铜/石墨复合材料界面结合强度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高铜/石墨复合材料界面结合强度的方法，属于自润滑高导复合材料制备技术领域。其原料包括：铜粉，氧化铜/氧化亚铜粉，石墨和聚乙烯醇；重量比为：M_铜：M_{氧化铜/氧化亚铜}：M_石墨：M_聚乙烯醇＝(70‑80)：(1‑20)：(5‑25)：(0.5‑4)。其中将上述组成成分按比例配料并混合均匀，将混合粉末进行压制得到素坯；将所得素坯在真空热压的条件进行烧结，随炉冷却至室温，获得铜/石墨复合材料。其特点是采用一定含量的氧化铜/氧化亚铜来充当铜源与原料中的石墨发生反应以增强界面。通过该方法制备出的铜/石墨复合材料具有界面纯净，强度高，导电导热性好等特点，并且工艺简单，成本低。

Description

一种提高铜/石墨复合材料界面结合强度的方法

技术领域

本发明涉及一种提高铜/石墨复合材料界面结合强度的方法，从而提高材料的抗弯强度、耐磨性以及导电导热性，属于自润滑高导复合材料制备技术领域。

背景技术

铜/石墨复合材料中既包含了具有良好强度、硬度、导电导热性以及耐蚀性的铜，又包含了润滑性好、熔点高、抗熔焊性好以及耐电弧烧蚀的石墨，从而使得铜/石墨复合材料在摩擦材料、含油轴承、电接触材料、导电材料和机械零件材料领域发挥着重大作用，特别是作为受电弓滑板材料和电刷材料，有着广泛的应用。提高铜石墨复合材料的综合性能一直以来都是该领域科研人员的重要目标。

众所周知，影响铜/石墨复合材料性能的主要因素是铜与石墨的界面结合问题。界面是复合材料的重要组成部分，界面的结构与性质决定着复合材料的最终性能，而组分之间的浸润性则是影响界面结构与性质的关键因素。铜与石墨完全不浸润，采用一般的粉末冶金法制备得到的复合材料中两种粉末只能形成强度低的机械互锁界面，综合性能较差。基于这点，目前国内外科研人员主要从两个方面改善铜与石墨的浸润性。第一是基体合金化，即通过加入合金元素的方法改善铜石墨的浸润性；第二是石墨的表面改性，其方法是在石墨颗粒或纤维表面进行化学镀铜或其他表面处理来改善石墨与铜的结合强度，并改善石墨在铜中的分散度，从而进一步提高其综合性能。

但上述方法不可避免地带来一些新的问题。对基体合金化虽然可以改善铜与石墨的浸润性，但也会显著降低材料整体的导电性。另外，有人发现在受电弓滑板中，添加的合金元素容易在电弧的作用下熔出并结晶在摩擦副接触表面，从而加剧磨损。而对石墨改性的方法工艺复杂，成本较高，不利于大规模工业生产。

发明内容

鉴于以上所述现有方法的不足，本发明的目的在于提供一种提高铜/石墨复合材料界面强度的方法。本方法的特征在于采用一定含量的氧化铜/氧化亚铜来充当铜源，在一定温度及真空度条件下，利用石墨(碳)还原氧化铜所得的铜饱和蒸气压小这一特点，在铜与石墨的界面处产生蒸发-冷凝的烧结机制，形成一种铜含量梯度变化的机械互锁-扩散结合界面(图1)，从而提高界面结合强度。通过该方法制备出的铜/石墨复合材料具有界面纯净，强度高，导电导热性好等特点，并且工艺简单，成本低。

本发明所采用的技术方案如下：

一种提高铜/石墨复合材料界面强度的方法，所用原料包括：铜粉，氧化铜/氧化亚铜粉，石墨，聚乙烯醇四种。包括以下步骤：

1)首先将铜粉与氧化铜/氧化亚铜粉采用高速搅拌的方式进行混合得到掺杂粉末，混合过程加入聚乙烯醇作粘结剂。其中所涉及到的原料重量比为：M_铜：M_{氧化铜/氧化亚铜}：M_聚乙烯醇＝(70-80)：(1-20)：(0.5-4)。

2)将步骤1)得到的掺杂粉末与石墨(质量分数：5～25％)一同置于V型混料机中混合均匀得到混合粉末。

3)将步骤2)得到的混合粉末进行压制得到素坯；将所得素坯在真空热压的条件进行烧结。

进一步地，所述氧化铜/氧化亚铜粉末粒度≥300目；所述石墨为鳞片石墨，粒度为200-500μm。

进一步地，所述压制压力300-600MPa，压制方式为单向压制。

进一步地，所述烧结工艺具体包括：

进一步地，烧结方式为真空热压烧结。首先以1～5℃/min的升温速率加热至500～700℃，保温0.25～1h；再以5～10℃/min的升温速率加热至800-950℃，保温0.5～1.5h；在最高温保温阶段施加3～10MPa载荷，保温阶段结束后撤去压力；整个烧结过程真空度控制在10²～10^-1Pa之间。随炉冷却至室温，得到铜/石墨复合材料。

本发明的有益效果是：

1.本发明利用石墨(碳)还原氧化铜所得的铜饱和蒸气压小这一特点，通过调控温度与真空度使烧结过程产生在铜与石墨的界面处产生蒸发-冷凝的烧结机制，形成一种铜含量梯度变化的机械互锁-扩散结合界面(图1)，从而提高界面结合强度。由于烧结过程中氧化铜/氧化亚铜被充分反应，因此最终所得的复合材料只含有铜和石墨两种物相。

2.本发明所述方法制备出的铜/石墨复合材料界面纯净，并且工艺简单，成本低。

3.通过该方法所得的铜/石墨复合材料相较于成分完全相同的铜/石墨复合材料弯曲强度最大提高35.4％，电阻率最大可降低9.2％。

附图说明

图1铜/石墨相界面元素线分布

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明

实施例1：

一种提高铜/石墨复合材料界面强度的方法，所用原料包括：铜粉，氧化铜，石墨，聚乙烯醇四种。具体步骤如下：

1)将上述粉末(除石墨外)采用高速搅拌的方式进行混合得到掺杂粉末，混合过程加入聚乙烯醇作粘结剂。其中所涉及到的原料重量比为：M_铜：M_氧化铜：M_聚乙烯醇＝76：4：1。其中所述氧化铜粉末平均粒度为13μm。

2)将步骤1)得到的掺杂粉末与石墨(质量分数：19％)一同置于V型混料机中混合均匀得到混合粉末。其中所述石墨为鳞片石墨，粒度为500μm。

3)将步骤2)得到的混合粉末在300MPa压力下单向压制得到素坯；将所得素坯在真空热压的条件进行烧结。

其中，所述烧结工艺具体包括：

烧结方式为真空热压烧结。首先以5℃/min的升温速率加热至550℃，保温0.5h；再以5℃/min的升温速率加热至950℃，保温1.5h；在最高温保温阶段施加10MPa载荷，保温阶段结束后撤去压力；整个烧结过程真空度控制在10²Pa。随炉冷却至室温，得到铜/石墨复合材料。

对所得的铜/石墨复合材料进行性能检测，其弯曲强度为59MPa，电阻率为9.91Ω·m×10^-8。

作为对照，在相同的复合材料组分及复合材料制备工艺下，未掺杂氧化铜粉末的铜/石墨复合材料弯曲强度为47MPa，电阻率为10.97Ω·m×10^-8。

实施例2：

一种提高铜/石墨复合材料界面强度的方法，所用原料包括：铜粉，氧化铜，石墨，聚乙烯醇四种。具体步骤如下：

1)将上述粉末(除石墨外)采用高速搅拌的方式进行混合得到掺杂粉末，混合过程加入聚乙烯醇作粘结剂。其中所涉及到的原料重量比为：M_铜：M_氧化铜：M_聚乙烯醇＝78：7：2。其中所述氧化铜粉末平均粒度为25μm。

2)将步骤1)得到的掺杂粉末与石墨(质量分数：13％)一同置于V型混料机中混合均匀得到混合粉末。其中所述石墨为鳞片石墨，粒度为355μm。

3)将步骤2)得到的混合粉末在450MPa压力下单向压制得到素坯；将所得素坯在真空热压的条件进行烧结。

其中，所述烧结工艺具体包括：

烧结方式为真空热压烧结。首先以4℃/min的升温速率加热至600℃，保温0.75h；再以8℃/min的升温速率加热至900℃，保温1h；在最高温保温阶段施加7MPa载荷，保温阶段结束后撤去压力；整个烧结过程真空度控制在10Pa。随炉冷却至室温，得到铜/石墨复合材料。

对所得的铜/石墨复合材料进行性能检测，其弯曲强度为107MPa，电阻率为4.73Ω·m×10^-8。

作为对照，在相同的复合材料组分及复合材料制备工艺下，未掺杂氧化铜粉末的铜/石墨复合材料弯曲强度为79MPa，电阻率为5.21Ω·m×10^-8。

实施例3：

一种提高铜/石墨复合材料界面强度的方法，所用原料包括：铜粉，氧化铜，石墨，聚乙烯醇四种。具体步骤如下：

1)将上述粉末(除石墨外)采用高速搅拌的方式进行混合得到掺杂粉末，混合过程加入聚乙烯醇作粘结剂。其中所涉及到的原料重量比为：M_铜：M_氧化铜：M_聚乙烯醇＝75：14：3。其中所述氧化铜粉末平均粒度为48μm。

2)将步骤1)得到的掺杂粉末与石墨(质量分数：8％)一同置于V型混料机中混合均匀得到混合粉末。其中所述石墨为鳞片石墨，粒度为250μm。

3)将步骤2)得到的混合粉末在600MPa压力下单向压制得到素坯；将所得素坯在真空热压的条件进行烧结。

其中，所述烧结工艺具体包括：

烧结方式为真空热压烧结。首先以3℃/min的升温速率加热至650℃，保温1h；再以10℃/min的升温速率加热至850℃，保温0.5h；在最高温保温阶段施加4MPa载荷，保温阶段结束后撤去压力；整个烧结过程真空度控制在10^-1Pa之间。随炉冷却至室温，得到铜/石墨复合材料。

对所得的铜/石墨复合材料进行性能检测，其弯曲强度为143MPa，电阻率为3.52Ω·m×10^-8。

作为对照，在相同的复合材料组分及复合材料制备工艺下，未掺杂氧化铜粉末的铜/石墨复合材料弯曲强度为114MPa，电阻率为3.81Ω·m×10^-8。

Claims (5)

1.一种提高铜/石墨复合材料界面结合强度的方法，其特征在于：采用铜粉：氧化铜/氧化亚铜质量比为（70-80）：（1-20）来充当铜源，烧结方式为真空热压烧结，首先以1~5℃/min的升温速率加热至500~700℃，保温0.25~1h；再以5~10℃/min的升温速率加热至800-950℃，保温0.5~1.5h；在最高温保温阶段施加3~10MPa载荷，保温阶段结束后撤去压力；整个烧结过程真空度控制在10²~10^-1Pa之间，随炉冷却至室温，得到铜/石墨复合材料；利用石墨还原氧化铜/氧化亚铜所得的铜饱和蒸气压小这一特点，在铜与石墨的界面处产生蒸发-冷凝的烧结机制，形成一种铜含量梯度变化的机械互锁-扩散结合界面，从而提高界面结合强度；

烧结过程中氧化铜/氧化亚铜被充分反应，最终所得的复合材料只含有铜和石墨两种物相。

2.如权利要求1所述的一种提高铜/石墨复合材料界面结合强度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

将铜粉，氧化铜/氧化亚铜粉，聚乙烯醇采用高速搅拌的方式进行混合得到掺杂粉末；

将得到的掺杂粉末与石墨一同置于V型混料机中混合均匀得到混合粉末；

将所得混合粉末进行压制得到素坯；

将所得素坯在真空热压的条件进行烧结，随炉冷却至室温，获得铜/石墨复合材料。

3.如权利要求2所述提高铜/石墨复合材料界面结合强度的方法，其特征在于，所述铜粉、氧化铜/氧化亚铜粉、聚乙烯醇重量比为：M_铜：M_{氧化铜/氧化亚铜}：M_聚乙烯醇=（70-80）：（1-20）：（0.5-4），其中聚乙烯醇充当粘结剂，所述石墨质量分数为5~25%。

4.如权利要求2所述提高铜/石墨复合材料界面结合强度的方法，其特征在于，所述氧化铜/氧化亚铜粉末粒度≥300目；所述石墨为鳞片石墨，粒度为200-500μm。

5.如权利要求2所述提高铜/石墨复合材料界面结合强度的方法，其特征在于，所述压制压力300-600MPa，压制方式为单向压制。

Images