CN110983210A - 一种碳纤维复合铜钨合金材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的碳纤维复合铜钨合金材料及其制备方法和应用，以所述碳纤维复合铜钨合金材料的总质量计，该碳纤维复合铜钨合金材料由如下组分组成：碳纤维0.002‑0.2％，Cu 18‑22％，余量为钨和不可避免的杂质。通过对碳纤维的含量进行优化，并利用碳纤维高比表面积，解决了碳纤维与金属基体的界面润湿性问题，进而提高了碳纤维复合铜钨合金材料的热导率和强度，而且降低了成本、简化了工艺。

Description

一种碳纤维复合铜钨合金材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及电工材料技术领域，具体涉及一种碳纤维复合铜钨合金材料及其制备方法和应用。
背景技术
碳纤维是指碳含量在90％以上的纤维，具有高强度、高模量、耐高温、抗化学腐蚀、高导热、低热膨胀系数，耐化学辐射等优点，此外还具有柔顺和可编性，比强度和比模量也优于其他无机纤维，不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是良好的新一代增强纤维。国内外已经开展了一些关于碳纤维增强的金属复合材料的研究。
然而，由于碳纤维的切向耐冲击性能较差，易损伤，与金属复合时两者的界面润湿性差，导致复合材料力学性能、电学性能差。因此，为提高复合材料的力学性能和电学性能，碳纤维在使用前需进行表面处理，来改善碳纤维与金属的界面润湿性。
目前应用较多的是在碳纤维的表面进行镀覆一层金属或者金属氧化物膜。如中国专利文献CN104388847A公开了一种碳纤维增强的铜基复合材料及其制备方法，该专利文献是先将碳纤维的表面镀镍，石墨表面镀铜；然后将镀镍的碳纤维、镀铜的石墨、以及镍粉、铜粉、和铁粉进行球磨混合，然后进行压制，烧结，热处理即得上述复合材料。但是，上述专利文献在制备碳纤维增强的铜基复合材料的过程中采用球磨混合，会对镀层碳纤维造成严重的损伤，导致镀层碳纤维和铜产生界面不相容现象，使得材料的电导率和硬度性能下降；而且采用镀镍的碳纤维、碳纳米管和镀铜的石墨共同提高材料性能，成本高，工艺复杂。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的碳纤维复合铜钨合金材料电导率和硬度性能差、成本高、工艺复杂的缺陷，从而提供一种碳纤维复合铜钨合金材料及其制备方法和应用。
为此，本发明提供如下技术方案：
一种碳纤维复合铜钨合金材料，以所述碳纤维复合铜钨合金材料的总质量计，由如下组分组成：碳纤维0.002-0.2％，Cu 18-22％，余量为钨和不可避免的杂质。
优选地，以所述碳纤维复合铜钨合金材料的总质量计，由如下组分组成：碳纤维0.05-0.1％，Cu 18-20％，余量为钨和不可避免的杂质。
所述碳纤维为短切碳纤维；优选地，所述短切碳纤维的长度为1mm-100mm。
本发明还提供了一种上述碳纤维复合铜钨合金材料的制备方法，包括如下步骤：
混合：将钨粉与碳纤维混合，得混合物；
压坯烧结：将混合物压制成型，真空烧结，冷却得烧结坯；
熔渗：将烧结坯进行表面清理后，在真空条件熔渗铜，冷却，退火，即得碳纤维复合铜钨合金材料。
所述真空烧结温度为1200-1400℃，真空度为2×10-3-5×10-3Pa；烧结时间为0.5-24h。
所述熔渗步骤中熔渗铜的温度为1200-1350℃，时间为1-12h。
所述熔渗步骤中冷却至温度为600-800℃，然后在600-800℃真空退火0.5-5h。
所述压坯烧结步骤中压制压强为550-650MPa。
所述混合步骤中搅拌速率为2000-3000rpm。
本发明还提供了上述碳纤维复合铜钨合金材料或上述碳纤维复合铜钨合金材料的制备方法得到的碳纤维复合铜钨合金材料在特高压SF6断路器用弧触头材料、电磁轨道炮导轨元件制造或高速列车电接触元件制造中的应用。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的碳纤维复合铜钨合金材料，以所述碳纤维复合铜钨合金材料的总质量计，由如下组分组成：碳纤维0.002-0.2％，Cu 18-22％，余量为钨和不可避免的杂质。通过对碳纤维的含量进行优化，解决了碳纤维与金属基体的界面润湿性问题，进而提高了碳纤维复合铜钨合金材料的电导率和硬度，而且降低了成本。
2.本发明提供的碳纤维复合铜钨合金材料，通过对各组分含量的进一步优选和短碳纤维的选择，可进一步改善碳纤维与金属基体的界面润湿性，更有效地提高碳纤维复合铜钨合金材料的电导率和硬度。
3.本发明提供的碳纤维复合铜钨合金材料的制备方法，通过采用先将碳纤维与钨粉混合，使得碳纤维被钨粉包围，再进行压制烧结，以溶渗工艺制备碳纤维复合铜钨合金，解决了碳纤维与金属基体的界面润湿性问题，不仅提高了碳纤维复合铜钨合金材料得到电导率和硬度，而且成本低，工艺简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明中碳纤维复合铜钨合金材料的立体图。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
短切碳纤维购买自深圳市图灵进化科技公司。
实施例1
本实施例提供一种碳纤维复合铜钨合金材料及其制备方法，具体步骤为：
混合：将79.98g钨粉与0.002g短切碳纤维在3000rpm速率下搅拌混合，得混合物；
压坯烧结：将混合物在钢质模具中压制成型，压力为650MPa，然后在1400℃，2×10-3Pa真空度下烧结24h；冷却至室温得烧结坯；
熔渗：将烧结坯进行表面清理后，在真空炉中熔渗20g铜，熔渗铜的温度为1300℃，时间为1h；冷却至700℃，然后在700℃真空退火1h，即得碳纤维复合铜钨合金材料。
实施例2
本实施例提供一种碳纤维复合铜钨合金材料及其制备方法，具体步骤为：
混合：将81.78g钨粉与0.2g短切碳纤维在2000rpm速率下搅拌混合，得混合物；
压坯烧结：将混合物在钢质模具中压制成型，压力为550MPa，然后在1300℃，5×10-3Pa真空度下烧结0.5h；冷却至室温得烧结坯；
熔渗：将烧结坯进行表面清理后，在真空炉中熔渗18g铜，熔渗铜的温度为1350℃，时间为12h；冷却至650℃，然后在650℃真空退火0.5h，即得碳纤维复合铜钨合金材料。
实施例3
本实施例提供一种碳纤维复合铜钨合金材料及其制备方法，具体步骤为：
混合：将77.92g钨粉与0.05g短切碳纤维在2500rpm速率下搅拌混合，得混合物；
压坯烧结：将混合物在钢质模具中压制成型，压力为600MPa，然后在1200℃，3×10-3Pa真空度下烧结12h；冷却至室温得烧结坯；
熔渗：将烧结坯进行表面清理后，在真空炉中熔渗22g铜，熔渗铜的温度为1250℃，时间为6h；冷却至700℃，然后在700℃真空退火5h，即得碳纤维复合铜钨合金材料。
实施例4
本实施例提供一种碳纤维复合铜钨合金材料及其制备方法，具体步骤为：
混合：将80.85g钨粉与0.1g短切碳纤维在2000rpm速率下搅拌混合，得混合物；
压坯烧结：将混合物在钢质模具中压制成型，压力为550MPa，然后在1350℃，4×10-3Pa真空度下烧结6h；冷却至室温得烧结坯；
熔渗：将烧结坯进行表面清理后，在真空炉中熔渗19g铜，熔渗铜的温度为1250℃，时间为10h；冷却至600℃，然后在600℃真空退火3h，即得碳纤维复合铜钨合金材料。
实施例5
本实施例提供一种碳纤维复合铜钨合金材料及其制备方法，具体步骤为：
混合：将78.98g钨粉与0.009g短切碳纤维在2800rpm速率下搅拌混合，得混合物；
压坯烧结：将混合物在钢质模具中压制成型，压力为650MPa，然后在1400℃，4×10-3Pa真空度下烧结6h；冷却至室温得烧结坯；
熔渗：将烧结坯进行表面清理后，在真空炉中熔渗21g铜，熔渗铜的温度为1250℃，时间为1.5h；冷却至800℃，然后在800℃真空退火02h，即得碳纤维复合铜钨合金材料。
对比例1
本对比例提供一种铜钨材料及其制备方法，具体步骤为：
压坯烧结：将80g钨粉在钢质模具中压制成型，压力为650MPa，然后在1400℃，2×10-3Pa真空度下烧结24h；冷却至室温得烧结坯；
熔渗：将烧结坯进行表面清理后，在真空炉中熔渗20g铜，熔渗铜的温度为1300℃，时间为1h；冷却至700℃，然后在700℃真空退火1h，即得铜钨材料。
实验例
采用数控车床将上述实施例1-5和对比例1制得的材料分别加工成直径为20mm，高5mm的圆柱体，然后分别测试其电导率及维氏硬度，检测方法按照GB/T5586-2016标准，具体的检测结果见表1。
表1铜钨材料的电导率及维氏硬度的性能测试结果
Figure BDA0002287257270000071
由表1中的结果可知，通过对碳纤维的含量进行优化，并利用碳纤维高比表面积，解决碳纤维与金属基体的界面润湿性问题，进而提高了碳纤维复合铜钨合金材料的电导率和硬度。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种碳纤维复合铜钨合金材料，其特征在于，以所述碳纤维复合铜钨合金材料的总质量计，由如下组分组成：碳纤维0.002-0.2％，Cu 18-22％，余量为钨和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述碳纤维复合铜钨合金材料，其特征在于，以所述碳纤维复合铜钨合金材料的总质量计，由如下组分组成：碳纤维0.05-0.1％，Cu 18-20％，余量为钨和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1或2所述碳纤维复合铜钨合金材料，其特征在于，所述碳纤维为短切碳纤维。
4.权利要求1-3任一项所述碳纤维复合铜钨合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
混合：将钨粉与碳纤维混合，得混合物；
压坯烧结：将混合物压制成型，真空烧结，冷却得烧结坯；
熔渗：将烧结坯进行表面清理后，在真空条件熔渗铜，冷却，退火，即得碳纤维复合铜钨合金材料。
5.根据权利要求4所述碳纤维复合铜钨合金材料的制备方法，其特征在于，所述真空烧结温度为1200-1400℃，真空度为2×10-3-5×10-3Pa；烧结时间为0.5-24h。
6.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，所述熔渗步骤中熔渗铜的温度为1200-1350℃，时间为1-12h。
7.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，所述熔渗步骤中冷却至温度为600-800℃，然后在600-800℃真空退火0.5-5h。
8.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，所述压坯烧结步骤中压制压强为550-650MPa。
9.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，所述混合步骤中搅拌速率为2000-3000rpm。
10.权利要求1-3任一项所述碳纤维复合铜钨合金材料或权利要求4-9任一项所述碳纤维复合铜钨合金材料的制备方法得到的碳纤维复合铜钨合金材料在特高压SF6断路器用弧触头材料、电磁轨道炮导轨元件制造或高速列车电接触元件制造中的应用。
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