CN110885955A

CN110885955A - 一种铜基复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN110885955A
Application number: CN201911348648.7A
Authority: CN
Inventors: 邵甄胰; 齐峰; 蒋小松; 朱旻昊; 肖友恒
Original assignee: Chengdu Technological University CDTU
Current assignee: Chengdu Technological University CDTU; Chengdu Univeristy of Technology
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2019-12-24
Publication date: 2020-03-17
Anticipated expiration: 2039-12-24
Also published as: CN110885955B

Abstract

本发明提供了一种铜基复合材料及其制备方法，该铜基复合材料按重量百分比包含以下原料制成：表面改性的氧化铝晶须0.8%‑1.2%；表面改性的石墨烯0.4%‑0.6%；铬粉0.5%‑5.0%；余量为铜粉。制备方法包括，步骤1、表面改性的氧化铝晶须、表面改性的石墨烯、铬粉和铜粉湿法球磨混合均匀，干燥，得到混合料。步骤2、将步骤1所得混合料在模具中压制成型，得到压坯。步骤3、将步骤2中装有压坯的模具进行真空热压烧结，冷却，脱模取样，得到铜基复合材料。本发明提供的铜基复合材料中增强体和铜基体之间具有较大的界面结合力，从而整个复合材料样品具有较高的致密度，力学性能也得以提升。

Description

一种铜基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料及其制备技术领域，特别是一种铜基复合材料及其制备方法。

背景技术

铜是人类发现最早的金属之一，也是最实用的纯金属之一，但是铜的硬度和屈服强度较低，抗蠕变能力也较差，制约了它在工业和军事领域中的应用。早在20世纪60年代就有研究者开展了向铜基体中加入增强体从而制备出铜基复合材料的研究，制得的材料既保持了铜的优点，又弥补了铜的不足。到目前为止，国内外研究和开发了多种铜基复合材料。铜中引入增强体的目的不仅保持铜材料本身优异的性能，而且还要提高铜材料的力学性能和导电性。常见的增强体主要有纤维类增强体、颗粒类增强体、晶须类增强体等几类。

然而，复合材料中增强体与基体的界面结合性能也是影响复合材料综合性能最为关键的因素，铜基复合材料的综合性能提升很大程度上受到增强体与铜基体的润湿性及界面结合差的制约。

目前，制备铜基复合材料的方法主要采用粉末冶金法，粉末冶金法是将增强材料粉体和铜粉放在一起混合均匀，然后压制、烧结，形成铜基复合材料。该方法制备的铜基复合材料制备的样品力学性能有明显的提高，粉末冶金法工艺成熟，便于大批量生产，一般采用真空热压烧结炉或热等静压设备进行烧结，真空热压烧结设备成本低，但制品的致密度较低、孔隙率较高，采用热等静压烧结，在高温高压的各向均衡作用下，可以消除样品内部的疏松和缩孔，使晶粒之间的界面结合力增大，致密性增高，从而提高了样品整体的力学性能，但是热等静压设备昂贵，成本太高。

目前，针对增强体材料与铜基体之间的润湿性和界面结合力差导致铜基复合材料综合性能不能满足使用要求等问题，引起了越来越多人的关注和研究。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的铜基复合材料中增强体材料与铜基体之间的润湿性和界面结合力差的技术问题。

为此，本发明提供了一种铜基复合材料及其制备方法，该铜基复合材料有效提高了增强体与铜基体之间的润湿性和界面结合力，使得铜基复合材料具有较强的综合性能，不仅具有很高的致密性，而且具有较高的力学性能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种铜基复合材料，按重量百分比包含以下原料制成：

表面改性的氧化铝晶须0.8％-1.2％；

表面改性的石墨烯0.4％-0.6％；

铬粉0.5％-5.0％；

余量为铜粉。

其中，所述表面改性的氧化铝晶须是由十二烷基硫酸钠表面改性处理的氧化铝晶须。

所述表面改性的石墨烯是由芦丁表面改性处理的石墨烯。

本发明提供的铜基复合材料以表面改性的氧化铝晶须和表面改性的石墨烯为增强体材料，表面改性可以增强氧化铝晶须和石墨烯的弥散性，使得增强体材料可以均匀分散开，然后通过添加铬粉，并控制铬粉的含量来提高增强体材料和铜基体的润湿性和界面结合力，使得氧化铝晶须、石墨烯、铬粉、铜基体形成一个分散均匀的增强骨架，从而使得铜基复合材料不仅具有很高的致密性，而且具有较高的力学性能。

进一步的，铜基复合材料的制备原料中，铬粉占比1.0％-4.0％。经过发明人大量的实验研究发现，铬粉占铜基复合材料总重量的这个范围内，铬能明显改善铜与石墨烯、氧化铝晶须的界面结合差的问题，增强了石墨烯、氧化铝晶须与铜基体之间界面行为及界面反应，提高了界面结合强度，从而使力学性能有所提高。优选为1.5％-4.0％。例如1.5％、2.0％、2.5％、3.0％、4.0％等掺入比例。

进一步的，所述表面改性的氧化铝晶须是通过十二烷基硫酸钠处理氧化铝晶须，其制备方法，包括以下步骤：

步骤a、将氧化铝晶须加入十二烷基硫酸钠水溶液中，搅拌均匀，得到第一混合液。

步骤b、将步骤a所得的第一混合液超声分散25min～40min，放置20h～25h，抽滤、干燥，得到表面改性的氧化铝晶须。

进一步的，所述十二烷基硫酸钠水溶液的浓度为1.7g/L～2.3g/L。

进一步的，所述氧化铝晶须与所述十二烷基硫酸钠水溶液的重量体积比为0.07g～0.12g：35ml～45mL。设置上述比例的氧化铝晶须可以更均匀的与十二烷基硫酸钠混合，避免过多的十二烷基硫酸钠覆盖于氧化铝晶须表面反而影响氧化铝晶须发挥本体性能。优选地，氧化铝晶须与十二烷基硫酸钠水溶液的重量体积比为0.09g～0.11g：35ml～45mL，优选的最佳比例，既提高氧化铝晶须与十二烷基硫酸钠的结合效率，又提高两者结合改性后产品的性能。

进一步的，所述表面改性的石墨烯是由芦丁处理的石墨烯，其制备方法，包括以下步骤：

步骤A、将石墨烯加入芦丁溶液中，搅拌均匀，得到第二混合液。

步骤B、将步骤A所得的第二混合液超声分散25min-40min，放置24-28h，抽滤、干燥后得到经芦丁表面改性的石墨烯。

进一步的，所述芦丁溶液的浓度为1.8×10^-5g/L～2.2×10^-5g/L。

进一步的，所述石墨烯与所述芦丁溶液的重量体积比为0.08g～0.11g：40mL～50mL。设置上述比例的石墨烯可以更好的和芦丁混合，避免多余的芦丁无法和石墨烯结合而造成表面污染，既提高石墨烯和芦丁的结合效率，又提高两者结合改性后产品的性能。

一种上述铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将表面改性的氧化铝晶须、表面改性的石墨烯、铬粉和铜粉，通过湿法球磨混合均匀，干燥，得到混合粉料。

步骤2、将步骤1所得混合粉料在模具中压制成型，得到压坯。

步骤3、将步骤2中装有压坯的模具进行真空热压烧结，冷却，脱模取样，得到铜基复合材料。

本发明提供的铜基复合材料制备方法，通过采用湿法混合的方式可以将原料混合的更均匀，本发明采用粉末冶金法制备铜基复合材料，采用真空热压烧结的方式，制备方法简单，设备成本低。

进一步的，步骤1中所述湿法球磨的设备是球磨机。采用球磨工艺对石墨烯剥离减薄，使预处理之后的石墨烯与氧化铝晶须在铜基体中均匀分布且与铜基体良好结合，从而有利于提高铜基复合材料的性能。

进一步的，所述湿法球磨时球磨罐和磨球均为氧化锆材质，加入此材质的磨球是为了使材料混合的更加充分、均匀。

进一步的，球料质量比为2～8:1。球料质量比越大，球与料的接触面积越大，球磨的效率也越高。

进一步的，所述湿法球磨的转速为250r/min-400r/min，优选地，所述湿法球磨的转速为280r/min-330r/min。

进一步的，步骤1中所述湿法球磨的介质是无水乙醇、丙酮、己烷中的一种或多种。优选地，步骤1中所述湿法球磨的介质是无水乙醇。加入介质防止球磨过程中粉末材料团聚。

进一步的，所述湿法球磨的球磨时间为1.5h-2.5h，优选的，所述湿法球磨的球磨时间为1.8h-2.2h。

进一步的，步骤2中将所述混合料压制成型的方式是将混合料置于模具中，在压力为4MPa-7 MPa下压制成型，卸压，得到压坯。

优选地，压制成型的压力为5MPa-6 MPa。

进一步的，步骤3中热压烧结的设备是真空热压烧结炉。

进一步的，烧结炉中的烧结温度为800℃～1000℃。

进一步的，烧结时间为1.8h～3h。优选地，烧结时间为1.8h～2.2h。

进一步的，烧结压力为2.5t～4.5t。优选地，烧结压力为3.0t～4.0t。

进一步的，烧结真空度为5Pa-8Pa，优选地，烧结真空度为6Pa-7Pa。

烧结过程中粉末之间存在空气等杂质，气体在烧结时逸出，在加压时会产生缺陷。通过控制上述范围的烧结条件，在煅烧过程中铜基体的流动性增强，铜基体流入到空隙当中，导致复合材料内部孔隙等缺陷减少，使材料在烧结过程中组织致密度增加。同时，烧结温度升高时铜基体再结晶的时间相对更长，有利于晶粒随着烧结温度的升高而逐渐长大。

进一步的，真空热压烧结升温过程采用程序升温的方式。

进一步的，热压烧结升温过程是以8℃/min～12℃/min的速率升到700℃～850℃，再以4℃/min～6℃/min的速率升温到900℃～1000℃。采用程序升温的方式，使得样品的度以一定的速度进行增加，这样会使样品在升温过程中受热更加均匀，相比一步升温法，程序升温的方式对样品的烧结的效果更加明显。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明采用的氧化铝晶须和石墨烯分别是通过十二烷基硫酸钠和芦丁改性的，使得增强体的弥散性能提高，充分均匀分散于铜基体中，不仅保持了氧化铝晶须和石墨烯本身的优良性能，而且可以使整个复合材料组分成为一个分散均匀的增强骨架。

2、本发明提供的铜基复合材料，在表面改性处理的氧化铝晶须和表面改性处理的石墨烯共增强铜基复合材料的基础上，加入并控制铬粉的用量，来增强氧化铝晶须、石墨烯与铜基体的润湿性，增大铜基复合材料内的界面结合力，从而使得致密度和力学性能大大提升，制备的铜基复合材料的致密度可达98.5％以上，硬度在210HV以上，抗剪强度可达146MPa以上，抗压强度可达810MPa以上，抗拉强度可达170MPa以上，并且本发明制备铜基复合材料的方法无需使用热等静压烧结，可以显著降低铜基复合材料的制备成本。

3、本发明提供的铜基复合材料意外的发现具有优异的耐摩擦、磨损的性能，磨损量可低于0.05g，摩擦系数可低于0.23。

附图说明

图1(a)、(b)、(c)、(d)分别是铬粉含量为0％、0.5％、1.0％、1.5％的氧化铝晶须与石墨烯协同增强铜基复合材料的扫描电镜图。

图2不同铬含量的复合材料抗拉强度变化趋势图。

图3不同铬含量的复合材料抗剪强度变化趋势图。

图4不同铬含量的复合材料抗压强度变化趋势图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种铜基复合材料，按重量百分比包含以下原料制成：

表面改性的氧化铝晶须0.8g、表面改性的石墨烯0.4g、铬粉0.5g、铜粉98.3g。

其中，表面改性的氧化铝晶须，制备方法如下：

步骤a、将氧化铝晶须加入2.3g/L十二烷基硫酸钠水溶液中，搅拌均匀，得到混合液。其中，氧化铝晶须的重量与十二烷基硫酸钠水溶液的体积之比为0.07g：35ml。

步骤b、将步骤a所得的混合液超声分散25min，放置20h，抽滤、干燥，得到经芦丁表面改性的石墨烯。

所述表面改性的石墨烯制备方法如下：

步骤A、将石墨烯加入1.8×10^-5g/L芦丁溶液中，搅拌均匀，得到混合液。其中，石墨烯的重量与芦丁水溶液的体积之比为0.08g：40mL。

步骤B、将步骤A所得的混合液超声分散25min，放置24h，抽滤、干燥后得到经芦丁表面改性的石墨烯。

对上述所得的铜基复合材料进行力学性能和致密度的测试，该样品的致密度为95.1％，硬度为110.02HV，抗剪强度为123.8MPa、抗压强度为650.32MPa、抗拉强度为148.32MPa。

实施例2

一种铜基复合材料，按重量百分比包含以下原料制成：

表面改性的氧化铝晶须1.2g、表面改性的石墨烯0.6g、铬粉1.0g、铜粉97.2g。

其中，表面改性的氧化铝晶须，具体方法步骤如下：

步骤a、将氧化铝晶须加入2.0g/L十二烷基硫酸钠水溶液中，搅拌均匀，得到混合液。其中，氧化铝晶须的重量与十二烷基硫酸钠水溶液的体积之比为0.1g：40ml。

步骤b、将步骤a所得的混合液超声分散30min，放置24h，抽滤、干燥，得到经芦丁表面改性的石墨烯。

所述石墨烯是由芦丁表面改性的，具体方法步骤如下：

步骤A、将石墨烯加入2.0×10^-5g/L芦丁溶液中，搅拌均匀，得到混合液。其中，石墨烯的重量与芦丁水溶液的体积之比为0.1g：40mL。

步骤B、将步骤A所得的混合液超声分散30min，放置23h，抽滤、干燥后得到经芦丁表面改性的石墨烯。

对上述所得的铜基复合材料进行力学性能和致密度的测试，该样品的致密度为95.3％，硬度为125.02HV，抗剪强度为131.8MPa、抗压强度为657.32MPa、抗拉强度为159.32MPa。

实施例3

一种铜基复合材料，按重量百分比包含以下原料制成：

表面改性的氧化铝晶须1.0g、表面改性的石墨烯0.4g、铬粉0.5g、铜粉98.1g。

其中，表面改性的氧化铝晶须，具体方法步骤如下：

步骤a、将氧化铝晶须加入1.7g/L十二烷基硫酸钠水溶液中，搅拌均匀，得到混合液。其中，氧化铝晶须的重量与十二烷基硫酸钠水溶液的体积之比为0.12g：45ml。

步骤b、将步骤a所得的混合液超声分散40min，放置25h，抽滤、干燥，得到经芦丁表面改性的石墨烯。

所述石墨烯是由芦丁表面改性的，具体方法步骤如下：

步骤A、将石墨烯加入2.2×10^-5g/L芦丁溶液中，搅拌均匀，得到混合液。其中，石墨烯的重量与芦丁水溶液的体积之比为0.11g：50mL。

步骤B、将步骤A所得的混合液超声分散40min，放置28h，抽滤、干燥后得到经芦丁表面改性的石墨烯。

对上述所得的铜基复合材料进行力学性能和致密度的测试，该样品的致密度为95.6％，硬度为118.02HV，抗剪强度为132.8MPa、抗压强度为663.32MPa、抗拉强度为158.32MPa。

实施例4

制备铜基复合材料

首先制备表面改性的氧化铝晶须和表面改性的石墨烯：

所述氧化铝晶须是由十二烷基硫酸钠表面改性的，具体方法步骤如下：

所述石墨烯是由芦丁表面改性的，具体方法步骤如下：

步骤B、将步骤A所得的混合液超声分散30min，放置24h，抽滤、干燥后得到经芦丁表面改性的石墨烯。

然后按照图1所述流程图制备铜基复合材料。

步骤1、将3.5g的经十二烷基硫酸钠表面改性的氧化铝晶须、1.75g经芦丁表面改性的石墨烯、1.75g铬粉和343g铜粉湿法球磨混合均匀，干燥，得到混合料。

步骤2、将步骤1所得混合料装入内径60mm的高强石墨模具中，并在复合粉体与石墨模具之间以及底部放置一层石墨纸，防止样品与模具粘连，加4t压力，在石墨模具中压制成型，得到压坯。

其中，烧结工艺参数如下：烧结温度为900℃，烧结压力为4t，保温时间为2h，真空度为7Pa，在0-800℃时升温速率为10℃/min，800-900℃时升温速率位5℃/min。热压结束后试样随模炉冷至室温，最后脱模取样，得到直径为60mm，厚度约为14mm的圆柱形试样。

对比例1

制备铜基复合材料(不添加铬粉)

首先制备表面改性的氧化铝晶须和表面改性的石墨烯：

由十二烷基硫酸钠表面改性氧化铝晶须，具体方法步骤如下：

由芦丁表面改性石墨烯，具体方法步骤如下：

然后按照图1所述流程图制备铜基复合材料。

步骤1、将3.5g的经十二烷基硫酸钠表面改性的氧化铝晶须、1.75g经芦丁表面改性的石墨烯、和344.75g铜粉湿法球磨混合均匀，干燥，得到混合料。

实施例5-6

实施例5-6的制备方法与实施例4的制备方法及反应条件相同，不同之处在于原料配比不同，实施例4-6、对比例1的原料配比及用量如表1所示。

表1实施例4-6及对比例1的原料配比及用量

1.扫描电镜

对实施例4-6及对比例1制备的铜基复合材料样品进行电镜扫描，结果如图1所示。图1中(a)、(b)、(c)、(d)分别对应铬粉含量为0％、0.5％、1.0％、1.5％的氧化铝晶须与石墨烯协同增强铜基复合材料的扫描电镜图。由图1可清晰分辨出黑色小块部分为石墨烯，其中夹杂有部分孔隙缺陷，纤维状组织为氧化铝晶须。可以看出，不添加铬粉的时候，氧化铝晶须和石墨烯与铜基体之间的界面结合力较差，加入铬粉后，氧化铝晶须、石墨烯与铜基体之间的界面结合力增强，而且随着铬含量的增加，复合材料组织中石墨烯、氧化铝晶须与铜基体界面结合效果更好，且团聚现象有所减少，孔隙、裂纹等缺陷则相应有所减少。说明铬含量的增加可明显改善石墨烯与铜界面润湿性差的问题，增大铜基复合材料的致密度，从而进一步的提升其综合性能。

2.致密度分析

对实施例4-6及对比例1制备的铜基复合材料利用阿基米德原理排水法测试了密度，并计算了复合材料的致密度，结果如表2所示，含铬量为0.5％、1.0％、1.5％的复合材料的致密度分别为95.88％、96.08％、97.17％。对于对比例1没添加铬粉仅是氧化铝晶须和石墨烯共增强铜基复合材料的情况，采用热压真空烧结过程中对于压坯是上下两端受压，压坯过程中可能会存在一定的气体或烧结过程中会存在氧化铝晶须、石墨烯与铜基体之间还是会存在一定的界面结合不够好的情况，从而导致了孔洞的产生，使得整体铜基复合材料的致密度较低，也会影响铜基复合材料的性能。从表2可以看出，实施例4-6制备的含不同质量分数的铬的氧化铝晶须与石墨烯协同增强铜基复合材料，随着铬含量的增加，铜基复合材料的致密度不断提升，说明加入铬会增加铜基复合材料的润湿性，使铜基复合材料整体的结合力提高。

表2实施例4-6及对比例1制备的铜基复合材料样品的致密度

实施例	铬粉含量(％)	致密度(％)
			对比例1	0	71.80
实施例4	0.5	95.88
			实施例5	1.0	96.08
实施例6	1.5	97.17

3.力学性能分析

3.1硬度测试

硬度实验采用的是显微维氏硬度计来测试试样的硬度。显微维氏硬度计的使用方法是设定好所需的负荷值及保荷时间，观察金相，点击开始，即开始工作。此时压头下降至材料表面并有一定负荷压下，保持负荷压到所设定的时间；通过利用设备测量压痕对角线长度，再按以下公式(2-1)计算维氏硬度，测量多次取平均值。

其中HV——维氏硬度(kgf/mm²)；P——负荷(kgf)；S——压痕面积(mm²)；d——压痕对角线长度；α——压头两相对棱面的夹角(136°)。

对实施例4-6及对比例1制得的复合材料进行硬度测试。测试结果如表3所示。

表3实施例4-6及对比例1制备的铜基复合材料样品的硬度

实施例	铬粉含量(％)	硬度(HV)
			对比例1	0	47.9
实施例4	0.5	114.32
			实施例5	1.0	143.78
实施例6	1.5	184.42

3.2拉伸、剪切和压缩性能测试

在微机控制电子万能试验机上对实施例4-6及对比例1制备的铜基复合材料进行拉伸、压缩、剪切实验。该实验设备的型号是WDW-20微机控制电子万能试验机，精度为0.5级，对实施例4-6及对比例1所制备的样品均进行三次拉伸、压缩、剪切重复性试验，然后取平均值。

3.21拉伸测试

表4和图2分别是拉伸测试试验过程数据和不同铬含量对复合材料的抗压强度的影响规律图。

其中表4中试验编号1、2、3分别指不同铬含量的铜基复合材料进行的三次拉伸重复性试验。

表4拉伸试样抗拉强度结果

含铬量为0.5％、1.0％、1.5％的复合材料平均抗拉强度分别为158.14MPa、164.43MPa、174.14MPa。

3.22剪切测试

表5和图3分别是剪切测试试验过程数据和不同铬含量对复合材料的抗剪强度的影响规律图。

其中表5中试验编号1、2、3分别指不同铬含量的铜基复合材料进行的三次剪切重复性试验。

表5剪切试验抗剪强度结果

含铬量0.5％、1.0％、1.5％的复合材料的平均抗剪强度分别为129.05MPa、134.48MPa、143.55MPa。

3.23剪切测试

表6和图4分别是压缩测试试验过程数据和不同铬含量对复合材料的抗压强度的影响规律图。

其中表6中试验编号1、2、3分别指不同铬含量的铜基复合材料进行的三次压缩重复性试验。

表6压缩试验抗拉强度结果

含铬量0.5％、1.0％、1.5％的复合材料的平均抗压强度分别为661.92MPa、666.39MPa、810.16MPa。

然后对对比例1制备的铜基复合材料进行了性能测试，对比例1及实施例4-6制备的铜基复合材料样品的力学性能数据如表7所示。

表7对比例1及实施例4-6制备的铜基复合材料样品的致密度和力学性能数据

由表7数据可以看出，对比例1中铜基复合材料由真空热压烧结制得，虽然氧化铝晶须和石墨烯都做了表面改性，两者在铜基复合材料中可以均匀分散，具有弥散强化的效果，但是，由于氧化铝晶须和石墨烯的润湿性较差及烧结因素的影响，使得铜基复合材料整体的致密度较低，从而整体的力学性能较差。实施例4-6制备的复合材料中加入了不同量的铬粉，从表中可以看出，随着含铬量的增加，铜基复合材料的力学性能总体逐渐上升。铬含量为1.5％时的复合材料的抗拉强度、抗压强度、抗剪强度分别达到了达到174.14MPa、810.16MPa、143.55MPa。由以上数据分析可见，铬含量的增加可提高复合材料的强度，铬能明显改善改善铜与石墨烯、氧化铝晶须的界面润湿性差的问题，增强了石墨烯、氧化铝晶须与铜基体之间界面反应，提高了界面结合强度，从而使力学性能有所提高。

实施例7-9

针对实施例4-6的测试结果可以看出，铬含量在占整个铜基复合材料总质量的0.5％-1.5％时，随着铬含量的不断增大，致密度和力学性能也会相应的增强，为此又按顺序增加了实施例7-9几组试验，实施例7-9与实施例4-6相比，制备方法和反应条件相同，只是在原料总量350g基础上，铬含量的百分比变成了2.0％、3.0％、4.0％，铜粉的含量相应的调整。制备更多不同铬粉含量的铜基复合材料，实施例4-9制备的铜基复合材料样品的致密度及力学性能测试结果如表8所示，从图中可以看出铬含量在占整个铜基复合材料总质量的0.5％-4.0％时，随着铬含量的增加，致密度和力学性能有所增加，铬可以提高铜基复合材料中不同物质之间的界面结合强度，但是铬含量过多会在固相烧结的时候出现偏析现象，影响氧化铝晶须和石墨烯的协同作用的发挥，性能反而会有所降低，在铬含量在1.0％-4.0％的范围内，致密度和力学性能较佳。

表8对比例1及实施例4-9制备的铜基复合材料样品的致密度和力学性能数据

对比例2

制备铜基复合材料(烧结升温方式不同)

首先制备表面改性的氧化铝晶须和表面改性的石墨烯：

所述石墨烯是由芦丁表面改性的，具体方法步骤如下：

然后按照图1所述流程图制备铜基复合材料。

步骤1、将3.5g的经十二烷基硫酸钠表面改性的氧化铝晶须、1.75g经芦丁表面改性的石墨烯、5.25g铬粉和339.5g铜粉湿法球磨混合均匀，干燥，得到混合料。

其中，烧结工艺参数如下：烧结温度为900℃，烧结压力为4t，保温时间为2h，真空度为7Pa，升温过程是以20℃/min的升温速度直接升温至900℃，热压结束后试样随模炉冷至室温，最后脱模取样，得到直径为60mm，厚度约为14mm的圆柱形试样。

对比例3

制备铜基复合材料(烧结升温方式不同)

首先制备表面改性的氧化铝晶须和表面改性的石墨烯：

所述石墨烯是由芦丁表面改性的，具体方法步骤如下：

然后按照图1所述流程图制备铜基复合材料。

其中，烧结工艺参数如下：烧结温度为900℃，烧结压力为4t，保温时间为2h，真空度为7Pa，升温过程是以50℃/min的升温速度直接升温至900℃，热压结束后试样随模炉冷至室温，最后脱模取样，得到直径为60mm，厚度约为14mm的圆柱形试样。

对比例2和3相对于实施例6来说，原料相同，制备方法相同，但是实施例6真空热等烧结升温是采用程序升温的方式，对比例2和3是采用直接一步升温的方式，然后对实施例6和对比例2-3制备的铜基复合材料样品进行性能测试，测试结果如表9所示。

表9对比例2-3和实施例6制备的铜基复合材料致密度和力学性能

烧结过程中粉末之间存在空气等杂质，气体在烧结时逸出，在加压时会产生缺陷。在煅烧过程中随着温度的升高铜基体的流动性增强，铜基体流入到空隙当中，导致复合材料内部孔隙等缺陷减少，使材料在烧结过程中组织致密度增加。同时，烧结温度升高时铜基体再结晶的时间相对更长，有利于晶粒随着烧结温度的升高而逐渐长大。从表9的数据中可以看出，实施例6真空热压烧结阶段采用程序升温的方式制备的铜基复合材料样品的致密度和力学性能均比对比例2-3直接一步升温方式烧结的样品的致密度和力学性能高，说明采用程序升温的方式，使得样品的烧结温度以一定的速度进行增加，这样会使样品在升温过程中受热更加均匀，直接一步升温会导致样品受热不均匀，可能会造成晶粒的尺寸迅速增大，粗大的晶粒会影响铜基复合材料整体的综合性能。

基于实施例5-9中铬粉占铜基复合材料重量1.0％-4.0％的时候，铜基复合材料具有较好的致密度和力学性能，为此实施例5-9制备的铜基复合材料做了耐磨性能的测试，并与同样烧结工艺制备的纯铜做了性能对比。固定了相同的转速、相同的载荷，测试结果如表10所示。

表10纯铜及不同铬含量铜基复合材料的耐摩擦、磨损性能

由表10的测试数据可以看出本发明铬含量在1.0％-4.0％的铜基复合材料，在载荷50N，转速200r/min条件下，磨损量均低于0.1g，摩擦系数低于0.31，相比相同工艺下制备的纯铜来说，本发明提供的铜基复合材料不仅具有较强的力学性能和较好的致密性，同时具有优异的耐磨擦、磨损性能，其中从表10中可以发现在铬添加量在1.5％～4.0％的时候，磨损量均低于0.05g，摩擦系数低于0.23，在铬添加量在此范围内时制备的铜基复合材料的磨损量和摩擦系数最小。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种铜基复合材料，其特征在于，按重量百分比包含以下原料制成：

表面改性的氧化铝晶须0.8％-1.2％；表面改性的石墨烯0.4％-0.6％；铬粉0.5％-5.0％；余量为铜粉；

其中，所述表面改性的氧化铝晶须是由十二烷基硫酸钠处理的氧化铝晶须；所述表面改性的石墨烯是由芦丁处理的石墨烯。

2.根据权利要求1所述的铜基复合材料，其特征在于，铬粉1.0％-4.0％。

3.根据权利要求2所述的铜基复合材料，其特征在于，铬粉1.5％-4.0％。

4.根据权利要求1所述的铜基复合材料，其特征在于，所述表面改性的氧化铝晶须是通过十二烷基硫酸钠处理氧化铝晶须，其制备方法包括以下步骤：

步骤a、将氧化铝晶须加入十二烷基硫酸钠水溶液中，搅拌均匀，得到第一混合液；

5.根据权利要求4所述的铜基复合材料，其特征在于，所述十二烷基硫酸钠水溶液的浓度为1.7g/L～2.3g/L，所述氧化铝晶须与所述十二烷基硫酸钠水溶液的重量体积比为0.07g～0.12g：35ml～45mL。

6.根据权利要求1所述的铜基复合材料，其特征在于，所述表面改性的石墨烯是由芦丁处理的石墨烯，其制备方法，包括以下步骤：

步骤A、将石墨烯加入芦丁溶液中，搅拌均匀，得到第二混合液；

7.根据权利要求6所述的铜基复合材料，其特征在于，所述芦丁溶液的浓度为1.8×10^- ⁵g/L～2.2×10^-5g/L，所述石墨烯与所述芦丁溶液的重量体积比为0.08g～0.11g：40mL～50mL。

8.一种如权利要求1-7任意一项所述的铜基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将表面改性的氧化铝晶须、表面改性的石墨烯、铬粉和铜粉，通过湿法球磨混合均匀，干燥，得到混合粉料；

步骤2、将步骤1所得混合粉料在模具中压制成型，得到压坯；

9.根据权利要求8所述的铜基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3中真空热压烧结的烧结时间为1.8h～3h，烧结压力为2.5t～4.5t。

10.根据权利要求8所述的铜基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3真空热压烧结升温过程是以8℃/min～12℃/min的速率升到700℃～850℃，再以4℃/min～6℃/min的速率升温到900℃～1000℃。