CN115747549B - 一种氧化钇增强双尺度铜-石墨复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种氧化钇增强双尺度铜-石墨复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种氧化钇增强双尺度铜‑石墨复合材料及其制备方法和应用，涉及金属基复合材料技术领域。本发明提供的氧化钇增强双尺度铜‑石墨复合材料的制备方法，包括以下步骤：将CuO粉和Y2O3粉混合，得到前驱粉体；在还原气氛中，将所述前驱粉体进行一次还原，得到一级复合粉；将所述一级复合粉进行球磨，得到一级细化复合粉；在还原气氛中，将所述一级细化复合粉进行深度还原，得到二级复合粉；将所述二级复合粉和改性石墨粉混合，得到Cu‑Y2O3‑石墨复合粉；将所述Cu‑Y2O3‑石墨复合粉进行热压烧结，得到氧化钇增强双尺度铜‑石墨复合材料。本发明制备的复合材料兼具高致密、抗高温软化且导电良好的优点。

Description

一种氧化钇增强双尺度铜-石墨复合材料及其制备方法和 应用
技术领域
本发明涉及金属基复合材料技术领域，具体涉及一种氧化钇增强双尺度铜-石墨复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
铜-石墨复合材料不仅具有优异的导电和导热性能，而且有良好的润滑性能和耐电弧烧蚀性能，因此，其被广泛运用于摩擦材料、自润滑轴承和电接触材料(高速列车的受电弓滑板、航空航天中的导电环或发电机的电刷)多种不同的领域。
传统铜-石墨复合材料的基体为粗大的铜晶粒，在高温、高载荷等严苛环境下，铜晶粒很容发生粗化，从而导致材料的抗高温软化性能差，严重影响了材料使用的稳定性和服役寿命。此外，铜和石墨之间互溶度低，润湿性较差，界面为机械互锁，材料在使用过程中石墨易从铜基体中脱落和剥离，对高性能高稳定材料的制备造成一定困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氧化钇增强双尺度铜-石墨复合材料及其制备方法和应用，本发明制备的氧化钇增强双尺度铜-石墨复合材料兼具高致密、抗高温软化且导电良好的优点，能够有效提升铜-石墨复合材料的力学性能和高温稳定性，延长铜-石墨复合材料在高温、高载荷条件下的服役寿命。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种氧化钇增强双尺度铜-石墨复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将CuO粉和Y2O3粉混合，得到前驱粉体；所述CuO粉包括纳米CuO粉和微米CuO粉；
在还原气氛中，将所述前驱粉体进行一次还原，得到一级复合粉；
将所述一级复合粉进行球磨，得到一级细化复合粉；
在还原气氛中，将所述一级细化复合粉进行深度还原，得到二级复合粉；
将所述二级复合粉和改性石墨粉混合，得到Cu-Y2O3-石墨复合粉；所述改性石墨粉包括石墨粉基体以及依次包覆在所述石墨粉基体表面的镍镀层和铜镀层；
将所述Cu-Y2O3-石墨复合粉进行热压烧结，得到氧化钇增强双尺度铜-石墨复合材料。
优选地，所述纳米CuO粉的平均粒径为40～60nm；所述微米CuO粉的平均粒径为8～12μm；所述纳米CuO粉和微米CuO粉的质量比为3～4.5：1。
优选地，所述Y2O3粉的平均粒径为40～60nm；所述前驱粉体中Y2O3粉的含量为0.6～4wt.％。
优选地，所述一次还原的温度为100～150℃；所述一次还原的时间为120～180min。
优选地，所述深度还原的温度为350～450℃；所述深度还原的时间为120～210min。
优选地，所述改性石墨粉中镍镀层的厚度为200～300nm；铜镀层的厚度为130～170nm。
优选地，所述改性石墨粉和Y2O3粉的质量比为1～8：0.6～4。
优选地，所述热压烧结的温度为750～950℃；所述热压烧结的压力为25～50MPa；保温保压时间为10～25min。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的氧化钇增强双尺度铜-石墨复合材料，包括氧化钇、双尺度铜基体和石墨粉；所述双尺度铜基体包括纳米铜和微米铜；所述双尺度铜基体和石墨粉的界面存在Ni、O和Cu组成的过渡层；所述氧化钇和纳米铜包覆在微米铜表面。
本发明提供了上述技术方案所述氧化钇增强双尺度铜-石墨复合材料在摩擦材料、自润滑轴承或电接触材料中的应用。
本发明提供了一种氧化钇增强双尺度铜-石墨复合材料的制备方法，本发明采用纳米CuO粉和微米CuO粉作为CuO原料粉体，经过球磨、两次还原和热压烧结得到由两种尺寸差异明显的晶粒组成的铜基体，显著提高了材料的力学性能；本发明加入Y2O3粉，能够抑制制备和使用过程中，因高温导致的晶粒尺寸长大及由此导致的力学性能降低；本发明通过将CuO粉和Y2O3粉混合，使Y2O3粉充分分散，尽可能隔离纳米尺寸铜晶粒，显著提高了材料的软化温度。本发明采用改性石墨粉为原材料，在空气中，改性石墨粉的铜镀层转变为Cu2O层，通过热压烧结控制石墨/Cu界面处Ni、O、Cu等元素的迁移，形成对石墨近全包覆的界面过渡层，改善复合材料的界面结构，提高材料的致密度、力学性能和稳定性。
本发明采用的制备方法仍属于传统的粉末冶金，未大幅度改变传统铜-石墨复合材料的制备方法，容易实现与原有设备、工艺的融合，制备的复合材料性能明显提高。实施例结果表明，本发明制备的氧化钇增强双尺度铜-石墨复合材料的致密度在98％以上，硬度为90～160HV，软化温度为650～900℃，导电率为33～55IACS％，摩擦系数为0.09～0.20。本发明制备的氧化钇增强双尺度铜-石墨复合材料兼具高致密、抗高温软化且导电良好的优点，能够有效提升铜-石墨复合材料的力学性能和高温稳定性，延长铜-石墨复合材料在高温、高载荷条件下的服役寿命。
附图说明
图1为实施例2和对比例1～2制备的复合材料的结合效果SEM图；
图2为实施例2制备的氧化钇增强双尺度铜-石墨复合材料的双尺度结构EBSD图。
具体实施方式
本发明提供了一种氧化钇增强双尺度铜-石墨复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将CuO粉和Y2O3粉混合，得到前驱粉体；所述CuO粉包括纳米CuO粉和微米CuO粉；
在还原气氛中，将所述前驱粉体进行一次还原，得到一级复合粉；
将所述一级复合粉进行球磨，得到一级细化复合粉；
在还原气氛中，将所述一级细化复合粉进行深度还原，得到二级复合粉；
将所述二级复合粉和改性石墨粉混合，得到Cu-Y2O3-石墨复合粉；所述改性石墨粉包括石墨粉基体以及依次包覆在所述石墨粉基体表面的镍镀层和铜镀层；
将所述Cu-Y2O3-石墨复合粉进行热压烧结，得到氧化钇增强双尺度铜-石墨复合材料。
本发明将CuO粉和Y2O3粉混合，得到前驱粉体。在本发明中，所述CuO粉包括纳米CuO粉和微米CuO粉。在本发明中，所述纳米CuO粉的平均粒径优选为40～60nm，更优选为50nm；所述微米CuO粉的平均粒径优选为8～12μm，更优选为10μm。在本发明中，所述纳米CuO粉和微米CuO粉的质量比优选为3～4.5：1，具体优选为4.5:1、4:1、3.5:1或3:1。
在本发明中，所述Y2O3粉的平均粒径优选为40～60nm，更优选为50nm；所述前驱粉体中Y2O3粉的含量优选为0.6～4wt.％，更优选为2.4～3.5wt.％。在本发明中，氧化钇能够阻止纳米铜长大，还可以提高材料的硬度、高温抗软化和摩擦磨损性能。
在本发明中，所述CuO粉和Y2O3粉混合优选为球磨混合。在本发明中，所述球磨混合优选为湿磨；所述球磨混合的介质优选为酒精。在本发明中，所述球磨混合优选在行星球磨机中进行；所述球磨混合的转速优选为100～200r/min，更优选为150r/min；球料比优选为8～15：1，更优选为9～12:1；球磨时间优选为2h；所述球磨混合过程中，优选每球磨15min停止15min，然后反向旋转继续球磨。本发明采用球磨混合，能够进一步提高Y2O3粉的分散程度，隔离开纳米尺寸铜晶粒，显著提高材料的软化温度。本发明优选在所述混合后，将所得粉体进行干燥，得到前驱粉体。在本发明中，所述干燥优选为真空干燥；所述干燥的温度优选为80℃；所述干燥的时间优选为1h。在本发明中，所述前驱粉体的粒径优选为80目。
本发明在所述球磨混合过程中，优选还加入粘结剂。在本发明中，所述粘结剂优选为硬脂酸。在本发明中，所述粘结剂在前驱粉体中的含量优选为1wt.％。本发明添加粘结剂，方便粉体成型，有利于后续的热压烧结。
得到前驱粉体后，本发明在还原气氛中，将所述前驱粉体进行一次还原，得到一级复合粉。在本发明中，所述一次还原优选在管式炉中进行。在本发明中，所述还原气氛优选为氢气气氛；提供所述氢气气氛的氢气流速优选为200mL/min。在本发明中，提供所述还原气氛的方法优选包括：先以200mL/min通入氩气，以5℃/min的速率加热到一次还原的温度，保温30min，待炉内温区温度基本趋于稳定后，以200mL/min的流量通入氢气进行一次还原。
在本发明中，所述一次还原的温度优选为100～150℃，更优选为120～130℃；所述一次还原的时间优选为120～180min，更优选为150min。
本发明优选在所述一次还原后，关闭氢气，切换为氩气，氩气的流速为200mL/min，随炉冷却至室温，得到一级复合粉。在本发明中，所述一级复合粉由Y2O3粉、Cu粉和CuO粉组成。
得到一级复合粉后，本发明将所述一级复合粉进行球磨，得到一级细化复合粉。在本发明中，所述球磨优选为湿磨；所述球磨的介质优选为酒精。在本发明中，所述球磨优选在氩气气氛中进行。在本发明中，所述球磨优选在行星球磨机中进行；所述球磨优选为高能球磨。在本发明中，所述球磨的转速优选为200～300r/min，更优选为250r/min；所述球磨的时间优选为7～8h，更优选为7.5h；球料比优选为8～15：1，更优选为9～12:1；在所述球磨过程中，优选每球磨15min停转15min后，然后反向旋转继续球磨。本发明通过球磨能够降低一级复合粉的粉体尺寸，为深度还原做好准备。本发明优选在所述球磨后，将所得粉体进行干燥，得到一级细化复合粉。在本发明中，所述干燥优选为真空干燥；所述干燥的温度优选为80℃；所述干燥的时间优选为1h。在本发明中，所述一级细化复合粉的粒径优选为80目。
得到一级细化复合粉后，本发明在还原气氛中，将所述一级细化复合粉进行深度还原，得到二级复合粉。在本发明中，所述深度还原优选在管式炉中进行。在本发明中，所述还原气氛优选为氢气气氛；提供所述氢气气氛的氢气流速优选为500mL/min。在本发明中，提供所述还原气氛的方法优选包括：先以200mL/min通入氩气，以5℃/min的速率加热至深度还原的温度，保温30min，待炉内温区温度基本趋于稳定后，以500mL/min的流量通入氢气进行深度还原。
在本发明中，所述深度还原的温度优选为350～450℃，更优选为400℃；所述深度还原的时间优选为120～210min，更优选为150～180min。本发明通过温度、时间和氢气流量，有利于促进粉体彻底还原。
本发明优选在所述深度还原后，关闭氢气，以200mL/min的流量通入氩气，随炉冷却至室温，得到二级复合粉。在本发明中，所述二级复合粉由Y2O3和Cu组成。
得到二级复合粉后，本发明将所述二级复合粉和改性石墨粉混合，得到Cu-Y2O3-石墨复合粉。在本发明中，所述改性石墨粉包括石墨粉基体以及依次包覆在所述石墨粉基体表面的镍镀层和铜镀层。在本发明中，所述改性石墨粉中镍镀层的厚度优选为200～300nm，更优选为220～250nm；铜镀层的厚度优选为130～170nm，更优选为140～150nm。本发明限定镍镀层和铜镀层的厚度为上述范围，能够保证在后续高温保温处理过程中，镀铜层转变为Cu2O层，而又不会因氧化物层的过量形成导致镀层脱落。
在本发明中，所述改性石墨粉和Y2O3粉的质量比优选为1～8：0.6～4，更优选为3～6:1～2。
在本发明中，所述改性石墨粉在和所述二级复合粉混合前，优选还包括高温保温处理；所述高温保温处理的气氛优选为空气；所述高温保温处理的温度优选为450～650℃，更优选为580～600℃；所述高温保温处理的时间优选为0.5～2h，更优选为1h。在本发明中，所述高温保温处理优选在搅拌条件下进行；所述搅拌的速率优选为10r/min。本发明通过搅拌保证改性石墨粉与空气充分接触，在石墨粉表面生成氧化亚铜，有利于和铜基体结合。
本发明优选将经过高温保温处理的改性石墨粉冷却至室温后，再与所述二级复合粉混合。
在本发明中，所述二级复合粉和改性石墨粉混合优选在V型混料机中进行；球料比优选为1～5：1，更优选为2～4:1；转速优选为10～30r/min，更优选为15～25r/min；时间优选为10～36h，更优选为15～24h。在本发明中，所述Cu-Y2O3-石墨复合粉的粒径优选为9～12μm。
得到Cu-Y2O3-石墨复合粉后，本发明将所述Cu-Y2O3-石墨复合粉进行热压烧结，得到氧化钇增强双尺度铜-石墨复合材料。在本发明中，所述热压烧结优选在模具中进行；所述模具优选为石墨圆柱模具。
在本发明中，所述热压烧结的温度优选为750～950℃，更优选为800～900℃；所述热压烧结的压力优选为25～50MPa，更优选为30MPa；保温保压时间优选为10～25min，更优选为15～20min。在本发明中，由室温升温至所述热压烧结的温度的升温速率优选为10～40℃/min，更优选为20～30℃/min。
本发明优选在所述热压烧结后，随炉冷却，得到氧化钇增强双尺度铜-石墨复合材料。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的氧化钇增强双尺度铜-石墨复合材料，包括氧化钇、双尺度铜基体和石墨粉；所述双尺度铜基体包括纳米铜和微米铜；所述双尺度铜基体和石墨粉的界面存在Ni、O和Cu组成的过渡层；所述氧化钇和纳米铜包覆在微米铜表面。在本发明中，所述纳米铜的粒径优选为40～60nm，更优选为50nm；所述微米铜的粒径优选为8～12μm，更优选为10μm。在本发明中，所述氧化钇的粒径优选为40～60nm，更优选为50nm。在本发明中，所述石墨粉的粒径优选为25～35μm，更优选为30μm。
在本发明中，所述氧化钇增强双尺度铜-石墨复合材料的组成包括：氧化钇1～6vol％，石墨5～20vol％，余量为Cu和杂质。在本发明中，所述杂质优选包括Ni、Cr、P、Mn、Ag、Co、Mo、As、Sb、Al、Hf、Zr、Ti、Ta、Sn、Zn和Sr；所述杂质的总含量优选为0.01～0.4wt％。
在本发明中，所述氧化钇增强双尺度铜-石墨复合材料的致密度优选在98％以上，更优选为99.2％；硬度优选为90～160HV，更优选为149HV；软化温度优选为650～900℃，更优选为850℃；导电率优选为33～55IACS％，更优选为46IACS％；摩擦系数优选为0.09～0.20，更优选为0.125。
本发明提供了上述技术方案所述氧化钇增强双尺度铜-石墨复合材料在摩擦材料、自润滑轴承或电接触材料中的应用。在本发明中，所述电接触材料优选包括高速列车的受电弓滑板、航空航天中的导电环或发电机的电刷。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
(1)制备前驱粉体：将50g CuO粉、1.2gY2O3粉和0.5g硬脂酸混合后放入行星球磨机中进行球磨，转速为100r/min，球料比为9：1，加入5～8g酒精，球磨时间为2h，球磨过程中每球磨15min间隙停止15min，间隙停止结束后反向旋转继续球磨；球磨结束后用酒精清洗出球磨罐中的粉体，并放入真空干燥箱中以80℃干燥1h，将干燥好的粉末倒入80目的筛网中过筛，得到前驱粉体；其中，CuO粉由纳米CuO粉和微米CuO粉组成；所述纳米CuO粉的平均粒径为50nm；所述微米CuO粉的平均粒径为10μm；所述纳米CuO粉和微米CuO粉的质量比为3:1；所述Y2O3粉的平均粒径为50nm；所述Y2O3粉在前驱粉体中的含量为2.4wt.％；所述硬脂酸在前驱粉体中的含量为1wt.％。
(2)一次还原：将所述前驱粉体放入管式炉内，以0.2L/min的流量通入氩气，密封保护，以5℃/min加热到还原温度120℃后，保温30min，待炉内温区温度基本趋于稳定后，以0.2L/min的流量通入H2，保温120min时间，轻度还原结束，关闭H2气路，以0.2L/min的流量通入氩气并随炉冷却至室温，获得由Y2O3粉、Cu粉及未还原的CuO粉组成的一级复合粉。
(3)球磨混料：将所述一级复合粉放入行星球磨机中，并在氩气气氛保护下进行高能球磨，转速为200r/min，球磨时间为7h，球料比为9：1，加入5～8g的酒精，球磨过程中每球磨15min，间隙停止15min，间隙停止结束后反向旋转继续球磨；球磨结束后用酒精清洗出球磨罐中的粉体，并放入真空干燥箱中以80℃干燥1h，将干燥好的粉末倒入80目的筛网中过筛，得到一级细化复合粉。
(4)深度还原：将所述一级细化复合粉放入管式炉内，以0.2L/min的流量通入氩气，密封保护，以5℃/min加热至400℃后，保温30min，待炉内温区温度基本趋于稳定后，以0.5L/min的流量通入H2，保温时间120min，深度还原结束，关闭氢气气路，以0.2L/min的流量通入氩气并随炉冷却至室温，得到二级复合粉。
(5)二次混料：将改性石墨粉在580℃保温1h，施加10r/min的机械搅拌，将所述二级复合粉与高温保温处理后的石墨粉通过V型混料机混合，球料比为1:1，转速为10r/min，时间为10h，取出后过80目筛，得到Cu-Y2O3-石墨复合粉；其中，改性石墨粉由石墨粉基体以及依次包覆在所述石墨粉基体表面的镍镀层和铜镀层组成；镍镀层的厚度为200nm；所述铜镀层的厚度为130nm。
(6)热压烧结：将10g所述Cu-Y2O3-石墨复合粉放入内径为20mm、外径为45mm、高度为70mm的高强石墨圆柱模具中，再将模具放入热压烧结炉内进行烧结；以40℃/min的升温速率升至800℃，保温时间为10min，保温结束后随炉冷却，施加压力初始值为5MPa，保温开始时施加压力至30MPa持续保温，结束后直接卸压，待温度降至100℃以下关闭抽真空阀，放气至炉内外压强一致，打开炉门取出石墨模具，将样品取出，得到氧化钇增强双尺度铜-石墨复合材料。
实施例2
(1)制备前驱粉体：将50g CuO粉、1.2gY2O3粉和0.5g硬脂酸混合后放入行星球磨机中进行球磨，转速为150r/min，球料比为11：1，加入5～8g酒精，球磨时间为2h，球磨过程中每球磨15min间隙停止15min，间隙停止结束后反向旋转继续球磨；球磨结束后用酒精清洗出球磨罐中的粉体，并放入真空干燥箱中以80℃干燥1h，将干燥好的粉末倒入80目的筛网中过筛，得到前驱粉体；其中，CuO粉由纳米CuO粉和微米CuO粉组成；所述纳米CuO粉的平均粒径为50nm；所述微米CuO粉的平均粒径为10μm；所述纳米CuO粉和微米CuO粉的质量比为3.5:1；所述Y2O3粉的平均粒径为50nm；所述Y2O3粉在前驱粉体中的含量为2.4wt.％；所述硬脂酸在前驱粉体中的含量为1wt.％。
(2)一次还原：将所述前驱粉体放入管式炉内，以0.2L/min的流量通入氩气，密封保护，以5℃/min加热到还原温度120℃后，保温30min，待炉内温区温度基本趋于稳定后，以0.2L/min的流量通入H2，保温150min时间，轻度还原结束，关闭H2气路，以0.2L/min的流量通入氩气并随炉冷却至室温，获得由Y2O3粉、Cu粉及未还原的CuO粉组成的一级复合粉。
(3)球磨混料：将所述一级复合粉放入行星球磨机中，并在氩气气氛保护下进行高能球磨，转速为250r/min，球磨时间为7.5h，球料比为11：1，加入5～8g的酒精，球磨过程中每球磨15min，间隙停止15min，间隙停止结束后反向旋转继续球磨；球磨结束后用酒精清洗出球磨罐中的粉体，并放入真空干燥箱中以80℃干燥1h，将干燥好的粉末倒入80目的筛网中过筛，得到一级细化复合粉。
(4)深度还原：将所述一级细化复合粉放入管式炉内，以0.2L/min的流量通入氩气，密封保护，以5℃/min加热至400℃后，保温30min，待炉内温区温度基本趋于稳定后，以0.5L/min的流量通入H2，保温时间150min，深度还原结束，关闭氢气气路，以0.2L/min的流量通入氩气并随炉冷却至室温，得到二级复合粉。
(5)二次混料：将改性石墨粉在580℃保温1h，施加10r/min的机械搅拌，将所述二级复合粉与高温保温处理后的石墨粉通过V型混料机混合，球料比为2:1，转速为15r/min，时间为15h，取出后过80目筛，得到Cu-Y2O3-石墨复合粉；其中，改性石墨粉由石墨粉基体以及依次包覆在所述石墨粉基体表面的镍镀层和铜镀层组成；镍镀层的厚度为220nm；所述铜镀层的厚度为140nm。
(6)热压烧结：将10g所述Cu-Y2O3-石墨复合粉放入内径为20mm、外径为45mm、高度为70mm的高强石墨圆柱模具中，再将模具放入热压烧结炉内进行烧结；以30℃/min的升温速率升至850℃，保温时间为15min，保温结束后随炉冷却，施加压力初始值为5MPa，保温开始时施加压力至30MPa持续保温，结束后直接卸压，待温度降至100℃以下关闭抽真空阀，放气至炉内外压强一致，打开炉门取出石墨模具，将样品取出，得到氧化钇增强双尺度铜-石墨复合材料。
实施例3
(1)制备前驱粉体：将50g CuO粉、1.2gY2O3粉和0.5g硬脂酸混合后放入行星球磨机中进行球磨，转速为200r/min，球料比为12：1，加入5～8g酒精，球磨时间为2h，球磨过程中每球磨15min间隙停止15min，间隙停止结束后反向旋转继续球磨；球磨结束后用酒精清洗出球磨罐中的粉体，并放入真空干燥箱中以80℃干燥1h，将干燥好的粉末倒入80目的筛网中过筛，得到前驱粉体；其中，CuO粉由纳米CuO粉和微米CuO粉组成；所述纳米CuO粉的平均粒径为50nm；所述微米CuO粉的平均粒径为10μm；所述纳米CuO粉和微米CuO粉的质量比为4:1；所述Y2O3粉的平均粒径为50nm；所述Y2O3粉在前驱粉体中的含量为2.4wt.％；所述硬脂酸在前驱粉体中的含量为1wt.％。
(2)一次还原：将所述前驱粉体放入管式炉内，以0.2L/min的流量通入氩气，密封保护，以5℃/min加热到还原温度120℃后，保温30min，待炉内温区温度基本趋于稳定后，以0.2L/min的流量通入H2，保温180min时间，轻度还原结束，关闭H2气路，以0.2L/min的流量通入氩气并随炉冷却至室温，获得由Y2O3粉、Cu粉及未还原的CuO粉组成的一级复合粉。
(3)球磨混料：将所述一级复合粉放入行星球磨机中，并在氩气气氛保护下进行高能球磨，转速为300r/min，球磨时间为8h，球料比为12：1，加入5～8g的酒精，球磨过程中每球磨15min，间隙停止15min，间隙停止结束后反向旋转继续球磨；球磨结束后用酒精清洗出球磨罐中的粉体，并放入真空干燥箱中以80℃干燥1h，将干燥好的粉末倒入80目的筛网中过筛，得到一级细化复合粉。
(4)深度还原：将所述一级细化复合粉放入管式炉内，以0.2L/min的流量通入氩气，密封保护，以5℃/min加热至400℃后，保温30min，待炉内温区温度基本趋于稳定后，以0.5L/min的流量通入H2，保温时间180min，深度还原结束，关闭氢气气路，以0.2L/min的流量通入氩气并随炉冷却至室温，得到二级复合粉。
(5)二次混料：将改性石墨粉在580℃保温1h，施加10r/min的机械搅拌，将所述二级复合粉与高温保温处理后的石墨粉通过V型混料机混合，球料比为3:1，转速为20r/min，时间为20h，取出后过80目筛，得到Cu-Y2O3-石墨复合粉；其中，改性石墨粉由石墨粉基体以及依次包覆在所述石墨粉基体表面的镍镀层和铜镀层组成；镍镀层的厚度为250nm；所述铜镀层的厚度为150nm。
(6)热压烧结：将10g所述Cu-Y2O3-石墨复合粉放入内径为20mm、外径为45mm、高度为70mm的高强石墨圆柱模具中，再将模具放入热压烧结炉内进行烧结；以20℃/min的升温速率升至900℃，保温时间为20min，保温结束后随炉冷却，施加压力初始值为5MPa，保温开始时施加压力至30MPa持续保温，结束后直接卸压，待温度降至100℃以下关闭抽真空阀，放气至炉内外压强一致，打开炉门取出石墨模具，将样品取出，得到氧化钇增强双尺度铜-石墨复合材料。
实施例4
(1)制备前驱粉体：将50g CuO粉、1.2gY2O3粉和0.5g硬脂酸混合后放入行星球磨机中进行球磨，转速为200r/min，球料比为12：1，加入5～8g酒精，球磨时间为2h，球磨过程中每球磨15min间隙停止15min，间隙停止结束后反向旋转继续球磨；球磨结束后用酒精清洗出球磨罐中的粉体，并放入真空干燥箱中以80℃干燥1h，将干燥好的粉末倒入80目的筛网中过筛，得到前驱粉体；其中，CuO粉由纳米CuO粉和微米CuO粉组成；所述纳米CuO粉的平均粒径为50nm；所述微米CuO粉的平均粒径为10μm；所述纳米CuO粉和微米CuO粉的质量比为4.5:1；所述Y2O3粉的平均粒径为50nm；所述Y2O3粉在前驱粉体中的含量为2.4wt.％；所述硬脂酸在前驱粉体中的含量为1wt.％。
(2)一次还原：将所述前驱粉体放入管式炉内，以0.2L/min的流量通入氩气，密封保护，以5℃/min加热到还原温度120℃后，保温30min，待炉内温区温度基本趋于稳定后，以0.2L/min的流量通入H2，保温180min时间，轻度还原结束，关闭H2气路，以0.2L/min的流量通入氩气并随炉冷却至室温，获得由Y2O3粉、Cu粉及未还原的CuO粉组成的一级复合粉。
(3)球磨混料：将所述一级复合粉放入行星球磨机中，并在氩气气氛保护下进行高能球磨，转速为300r/min，球磨时间为8h，球料比为12：1，加入5～8g的酒精，球磨过程中每球磨15min，间隙停止15min，间隙停止结束后反向旋转继续球磨；球磨结束后用酒精清洗出球磨罐中的粉体，并放入真空干燥箱中以80℃干燥1h，将干燥好的粉末倒入80目的筛网中过筛，得到一级细化复合粉。
(4)深度还原：将所述一级细化复合粉放入管式炉内，以0.2L/min的流量通入氩气，密封保护，以5℃/min加热至400℃后，保温30min，待炉内温区温度基本趋于稳定后，以0.5L/min的流量通入H2，保温时间180min，深度还原结束，关闭氢气气路，以0.2L/min的流量通入氩气并随炉冷却至室温，得到二级复合粉。
(5)二次混料：将改性石墨粉在580℃保温1h，施加10r/min的机械搅拌，将所述二级复合粉与高温保温处理后的石墨粉通过V型混料机混合，球料比为4:1，转速为25r/min，时间为24h，取出后过80目筛，得到Cu-Y2O3-石墨复合粉；其中，改性石墨粉由石墨粉基体以及依次包覆在所述石墨粉基体表面的镍镀层和铜镀层组成；镍镀层的厚度为300nm；所述铜镀层的厚度为170nm。
(6)热压烧结：将10g所述Cu-Y2O3-石墨复合粉放入内径为20mm、外径为45mm、高度为70mm的高强石墨圆柱模具中，再将模具放入热压烧结炉内进行烧结；以25℃/min的升温速率升至900℃，保温时间为20min，保温结束后随炉冷却，施加压力初始值为5MPa，保温开始时施加压力至30MPa持续保温，结束后直接卸压，待温度降至100℃以下关闭抽真空阀，放气至炉内外压强一致，打开炉门取出石墨模具，将样品取出，得到氧化钇增强双尺度铜-石墨复合材料。
对比例1
本对比例和实施例2的制备方法基本相同，不同之处仅在于，将CuO粉调整为：全部为平均粒径10μm的CuO粉。
对比例2
本对比例和实施例2的制备方法基本相同，不同之处仅在于，将CuO粉调整为：全部为平均粒径50nm的CuO粉。
测试例
对实施例1～4和对比例1～2的复合材料进行导电性能、力学性能以及摩擦性能检测，结果如表1所示。致密度采用阿基米德排水法测试，导电性能测试方法参照GB/T 32791-2016铜及铜合金导电率涡流测试方法。
表1复合材料性能测试结果
由表1可以看出，本发明采用双尺度结构铜(如图2所示)可以提高材料的强度、高温抗软化和摩擦性能。
图1为实施例2和对比例1～2制备的复合材料的结合效果SEM图。由图1可以看出，通过调控石墨/Cu界面处Ni、O、Cu等元素的迁移，形成近全包覆的界面过渡层。
图2为实施例2制备的氧化钇增强双尺度铜-石墨复合材料的双尺度结构EBSD图。由图2可以看出，采用本发明的方法可以制备出具有双尺度结构的复合材料。
本发明制备的氧化钇增强双尺度铜-石墨复合材料有良好的导电率、硬度、高温抗软化和摩擦磨损性能，可以运用于受电弓滑板材料、电极电刷材料、电接触材料、导电材料或摩擦材料等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种氧化钇增强双尺度铜-石墨复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将CuO粉和Y2O3粉混合，得到前驱粉体；所述CuO粉包括纳米CuO粉和微米CuO粉；
在还原气氛中，将所述前驱粉体进行一次还原，得到一级复合粉；
将所述一级复合粉进行球磨，得到一级细化复合粉；
在还原气氛中，将所述一级细化复合粉进行深度还原，得到二级复合粉；
将所述二级复合粉和改性石墨粉混合，得到Cu-Y2O3-石墨复合粉；所述改性石墨粉包括石墨粉基体以及依次包覆在所述石墨粉基体表面的镍镀层和铜镀层；
将所述Cu-Y2O3-石墨复合粉进行热压烧结，得到氧化钇增强双尺度铜-石墨复合材料；
所述纳米CuO粉的平均粒径为40～60nm；所述微米CuO粉的平均粒径为8～12μm；所述纳米CuO粉和微米CuO粉的质量比为3～4.5：1。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Y2O3粉的平均粒径为40～60nm；所述前驱粉体中Y2O3粉的含量为0.6～4wt.％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述一次还原的温度为100～150℃；所述一次还原的时间为120～180min。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述深度还原的温度为350～450℃；所述深度还原的时间为120～210min。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述改性石墨粉中镍镀层的厚度为200～300nm；铜镀层的厚度为130～170nm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述改性石墨粉和Y2O3粉的质量比为1～8：0.6～4。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热压烧结的温度为750～950℃；所述热压烧结的压力为25～50MPa；保温保压时间为10～25min。
8.权利要求1～7任一项所述制备方法制备得到的氧化钇增强双尺度铜-石墨复合材料，包括氧化钇、双尺度铜基体和石墨粉；所述双尺度铜基体包括纳米铜和微米铜；所述双尺度铜基体和石墨粉的界面存在Ni、O和Cu组成的过渡层；所述氧化钇和纳米铜包覆在微米铜表面。
9.权利要求8所述氧化钇增强双尺度铜-石墨复合材料在摩擦材料、自润滑轴承或电接触材料中的应用。
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