CN116219217A - 石墨烯铜基复合材料及其制备方法和刹车片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种石墨烯铜基复合材料及其制备方法和刹车片。石墨烯铜基复合材料的制备方法包括以下步骤：混合石墨烯浆体和铜基粉末，得粉体；将所述粉体压制成型，得生坯体；将所述生坯体进行真空烧结，得熟坯体；将所述熟坯体进行固溶热处理和时效热处理，得所述石墨烯铜基复合材料。该制备方法能够制得高强度、高硬度、低磨损量和高热导率的石墨烯铜基复合材料。
Description
技术领域
本发明涉及摩擦材料的技术领域，特别是涉及一种石墨烯铜基复合材料及其制备方法和刹车片。
背景技术
随着高速铁路的快速发展，用于确保高速下行驶安全的列车制动系统备受关注。刹车片作为列车制动系统中的核心部件，其性能的优劣直接影响着列车制动的安全性和稳定性。随着列车速度的不断提升，列车的刹车片需要更高的摩擦力、优良的耐磨性能、稳定的摩擦系数、良好的耐高温性能和足够的抗冲击强度，同时不受气候影响，经济性较高，便于成型和实现轻量化。
列车的刹车片材料包括石棉摩擦材料、铸铁摩擦材料和粉末冶金摩擦材料等。近年来，铜基粉末冶金摩擦材料以其良好的耐磨性能和导热性能，成为研制高性能刹车片的热门材料。此外，石墨烯是一种由碳原子构成的蜂窝晶格结构二维碳纳米材料，具备着优异的力学性能和热传导性能。将石墨烯与铜基粉末结合形成新型复合材料，有利于优化铜基摩擦材料的性能。然而，由于石墨烯和铜基粉末的密度差异较大，不同组分之间难以混合均匀，烧结后铜基粉末合金均匀化程度不高，颗粒之间接触不佳，导致复合材料的强度、硬度、耐磨性能和导热性能均不理想。
发明内容
基于此，有必要提供一种高强度、高硬度、低磨损量和高热导率的石墨烯铜基复合材料及其制备方法和刹车片。
本发明的上述目的是通过如下技术方案进行实现的：
本发明第一方面，提供一种石墨烯铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
混合石墨烯浆体和铜基粉末，得粉体；
将所述粉体压制成型，得生坯体；
将所述生坯体进行真空烧结，得熟坯体；
将所述熟坯体进行固溶热处理和时效热处理，得所述石墨烯铜基复合材料。
在其中一个实施例中，所述固溶热处理包括以下步骤：在≤0.01Pa的真空度下，将所述熟坯料于600℃～800℃加热0.5～4h后，冷却至室温。
在其中一个实施例中，所述时效热处理包括以下步骤：所述时效热处理包括以下步骤：在≤0.01Pa的真空度下，将固溶热处理后的所述熟坯料于200℃～500℃加热0.5～4h后，冷却至室温。
在其中一个实施例中，所述真空烧结满足以下条件中的一个或多个：
1)烧结温度为800℃～1000℃；
2)烧结时间为0.5～4h；
3)真空度≤0.01Pa。
在其中一个实施例中，所述压制成型的方法为冷等静压、液压成型和模压成型中的一种。
在其中一个实施例中，所述冷等静压满足以下条件中的一个或多个：
1)成型最大压力为100MPa～200MPa；
2)保压时间为10min～120min。
在其中一个实施例中，所述石墨烯浆体包括溶剂、石墨烯粉和分散剂。
在其中一个实施例中，所述石墨烯浆体满足以下条件中的一个或多个：
1)所述石墨烯粉的片径为0.1～5μm；
2)所述溶剂为水和/或乙醇；
3)所述分散剂为聚乙二醇、聚乙烯醇和聚丙烯酸铵中的一种或多种；
4)所述溶剂、所述石墨烯粉和所述分散剂的质量比为(75～95)：(3～25)：(0.5～5)；
5)所述石墨烯粉在所述石墨烯铜基复合材料中的含量为0.05wt.％～2wt.％。
在其中一个实施例中，所述铜基粉末满足以下条件中的一个或多个：
1)所述铜基粉末的化学成分包括铜，以及锡、锌、铁、镍、铬、铅、磷、铋和硅元素中的一种或多种；
2)所述铜基粉末含有75wt.％～92wt.％的铜元素；
3)所述铜基粉末中含有5wt.％～8wt.％的锡元素；
4)所述铜基粉末中含有2wt.％～8wt.％的锌元素；
5)所述铜基粉末的粒径为0.1μm～100μm。
本发明第二方面，提供一种石墨烯铜基复合材料，其采用上述所述的石墨烯铜基复合材料的制备方法制得。
本发明第三方面，提供一种刹车片，将上述所述的石墨烯铜基复合材料进行表面处理后制得。
本发明采用了固溶热处理和时效热处理，与混粉、压制成型和真空烧结相结合，使复合材料各组分之间混合均匀、接触良好，合金均匀化程度和致密性更高，并实现了石墨烯在铜基粉末中的弥散分布，从而获得高强度、高硬度、低磨损量和高热导率的石墨烯铜基复合材料，有效延长其使用寿命。
附图说明
图1为实施例2制备的石墨烯铜基刹车片的SEM图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
术语及定义：
摩擦材料：依靠摩擦作用来执行制动和传动功能的部件材料，具有良好的摩擦系数和耐磨性能，同时具有一定的耐热性和机械强度，可用于制备刹车片。
抗拉强度：参照《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》(GB/T228.1-2021)进行测试；拉伸试样为直径5mm，标距25mm的圆棒试样，每组实验对3个试样进行拉伸性能的检测，取平均值记录数据，单位为MPa；数值越大，说明刹车片的强度越高。
硬度：参照《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》(GB/T4340.1-2009)进行测试；采用维氏硬度试验机进行实验，实验载荷0.1kg，加载时间10s，每组实验测试5个点，取平均值记录数据，单位为HV；数值越大，说明刹车片的硬度越高。
磨损量：采用往复摩擦实验进行测试，对磨件为Φ5mm的GCr15钢球，试验力为50N，频率为5Hz，实验尺寸为5mm，实验时间为1h，每组实验对3个试样进行磨损量的检测，取平均值记录数据，单位为g；数值越小，说明刹车片的耐磨性能越好，使用寿命越长。
热导率：参照《材料热导率和热扩散系数的瞬态测量—脉冲法》(DB51/T2434-2017)进行测试，单位为W/(M·K)；数值越大，说明刹车片的的导热性能越好。
SEM：扫描电子显微镜。
本发明第一方面，提供一种石墨烯铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
混合石墨烯浆体和铜基粉末，得粉体；
将所述粉体压制成型，得生坯体；
将所述生坯体进行真空烧结，得熟坯体；
将所述熟坯体进行固溶热处理和时效热处理，得所述石墨烯铜基复合材料。
本发明采用了固溶热处理和时效热处理，与混粉、压制成型和真空烧结相结合，使复合材料各组分之间混合均匀、接触良好，合金均匀化程度和致密性更高，并实现了石墨烯在铜基粉末中的弥散分布，从而获得高强度、高硬度、低磨损量和高热导率的石墨烯铜基复合材料，有效延长其使用寿命。
在一些实施方式中，所述固溶热处理包括以下步骤：在≤0.01Pa的真空度下，将所述熟坯料于600℃～800℃加热0.5～4h后，冷却至室温。
可以理解地，固溶热处理的温度可以为600℃～800℃之间的任意值，例如600℃、650℃、700℃、750℃或800℃等，加热时间可以是0.5～4h之间的任意值，例如0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h或4h等，真空度可以是低于0.01Pa的任意值，例如0.01Pa、0.007Pa、0.005Pa、0.003Pa或0.001Pa等。
可以理解地，室温指的是室内温度、常温或一般温度，温度范围为20℃～30℃。
在一些实施方式中，冷却方式为在空气中冷却、入水冷却或入油冷却中的一种。
在一些更优选的实施方式中，所述固溶热处理包括以下步骤：在≤0.01Pa的真空度下，将所述熟坯料于600℃～800℃加热0.5～4h后，入水冷却至室温。
通过固溶热处理，有利于消除真空烧结过程中形成的颗粒较大、分布不均匀的析出相，让铜粉和其他金属粉末形成组织更加均匀的过饱和固溶体，同时去除烧结过程产生的热应力，改善复合材料的韧性。热处理后进行入水冷却，其冷却速度很快，在高温形成的过饱和固溶体在温度快速降低时来不及发生变化而得以保留，固溶效果最佳。
在一些实施方式中，所述时效热处理包括以下步骤：在≤0.01Pa的真空度下，将固溶热处理后的所述熟坯料于200℃～500℃加热0.5～4h后，冷却至室温。
可以理解地，时效热处理的温度可以为200℃～500℃之间的任意值，例如200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃或500℃等，加热时间可以是0.5～4h之间的任意值，例如0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h或4h等，真空度可以是低于0.01Pa的任意值，例如0.01Pa、0.007Pa、0.005Pa、0.003Pa或0.001Pa等。
在一些更优选的实施方式中，所述时效热处理包括以下步骤：在≤0.01Pa的真空度下，将固溶热处理后的所述熟坯料于200℃～500℃加热0.5～4h后，在空气中冷却至室温。
通过时效热处理，使FeCr化合物等第二相粒子在铜基体上弥散析出，达到析出强化的目的，有效地提高复合材料的强度和硬度，从而降低摩擦过程中的磨损量。
在一些实施方式中，所述真空烧结满足以下条件中的一个或多个：
1)烧结温度为800℃～1000℃；
2)烧结时间为0.5～4h；
3)真空度≤0.01Pa。
可以理解地，烧结温度可以为800℃～1000℃之间的任意值，例如800℃、850℃、900℃、950℃或1000℃等，烧结时间可以是0.5～4h之间的任意值，例如0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h或4h等，真空度可以是低于0.01Pa的任意值，例如0.01Pa、0.007Pa、0.005Pa、0.003Pa或0.001Pa等。
在一定的真空度下进行高温烧结，能够使生坯料中的所有气体从气孔中逸出，有利于减少气孔的数量，从而提高材料的致密度和硬度；同时，真空度极低的条件下，氧气、氮气、氢气和水汽的含量极少，烧结过程中几乎不会发生化学反应，有利于提高复合材料的纯度。
在一些实施方式中，所述压制成型的方法为冷等静压、液压成型和模压成型中的一种。
所述冷等静压满足以下条件中的一个或多个：
1)成型最大压力为100MPa～200MPa；
2)保压时间为10min～120min。
通过冷等静压压制成型，能够获得均匀密实、气孔较少的生坯料，有利于进一步提高复合材料的致密度和强度。
在一些实施方式中，通过混粉将所述石墨烯浆体和所述铜基粉末混合均匀后，烘干封装。
在一些实施方式中，所述混粉满足以下条件中的一个或多个：1)混粉时间为1h～6h；2)转速为100rpm～300rpm。
在一些实施方式中，所述石墨烯浆体包括溶剂、石墨烯粉和分散剂。
在一些实施方式中，所述石墨烯浆体满足以下条件中的一个或多个：
1)所述石墨烯粉的片径为0.1～5μm；
2)所述溶剂为水和/或乙醇；
3)所述分散剂为聚乙二醇、聚乙烯醇和聚丙烯酸铵中的一种或多种；
4)所述溶剂、所述石墨烯粉和所述分散剂的质量比为(75～95)：(3～25)：(0.5～5)；
5)所述石墨烯粉在所述石墨烯铜基复合材料中的含量为0.05wt.％～2wt.％。
将溶剂、石墨烯粉和分散剂混合后，得到均匀分散的石墨烯浆体，避免在石墨烯在混粉过程中发生团聚，从而实现石墨烯在铜基粉末中的弥散分布，复合材料内部组织结构更均匀、致密，并显著提升了其机械强度和导热性能；将石墨烯粉的含量控制在0.05wt.％～2wt.％也能够抑制石墨烯的团聚，并使其在粉体压制时易于成型。
在一些实施方式中，所述铜基粉末满足以下条件中的一个或多个：
1)所述铜基粉末的化学成分包括铜，以及锡、锌、铁、镍、铬、铅、磷、铋和硅元素中的一种或多种；
2)所述铜基粉末含有75wt.％～92wt.％的铜粉；
3)所述铜基粉末中含有5wt.％～8wt.％的锡元素；
4)所述铜基粉末中含有2wt.％～8wt.％的锌元素；
5)所述铜基粉末的粒径为0.1μm～100μm。
在铜粉中添加锡、锌、铁、镍、铬、铅、磷、铋和硅等元素有利于提升铜基体的强度、硬度、摩擦稳定性和耐磨性能。加入2wt.％～8wt.％的锌元素可以提高铜基粉末的硬度、强度和冲击韧性，使其具备良好的抗蠕变性能和耐高温性能。加入5wt.％～8wt.％的锡元素能够让铜基粉末在真空烧结过程很容易合金化，使铜基粉末具有很高的耐热性、强度和硬度，并且可以防止对偶摩擦时摩擦副表面的粘结；锡元素的引入还有利于防止出现脱锌现象，从而提高了铜基粉末的耐蚀性；在高温工作时，加入锡会使摩擦系数不稳定，因此需要加入石墨烯粉来提高耐热性能和摩擦性能，以获得稳定的摩擦系数。
在一些更优选的实施方式中，所述铜基粉末由如下质量百分数的原料制成：铜77.55％～91.34％、锡5％～8％、锌2％～8％、铁0.8％～2％、镍0.8％～3％、铬≤0.4％、铅≤0.4％、磷0.03％～0.35％、铋0.02％～0.2％和硅0.01％～0.1％。
在一些更优选的实施方式中，所述铜基粉末由如下质量百分数的原料制成：铜84.75％、锡6％、锌5％、铁1.5％、镍2％、铬0.2％、铅0.2％、磷0.2％、铋0.1％和硅0.05％；
本发明第二方面，提供一种石墨烯铜基复合材料，其采用上述所述的石墨烯铜基复合材料的制备方法制得。
本发明第三方面，提供一种刹车片，将上述所述的石墨烯铜基复合材料进行表面处理后制得。
在一些更优选的实施方式中，将上述所述的石墨烯铜基复合材料进行喷砂和打磨，所述喷砂满足以下条件中的一个或多个：1)喷砂气压为0.2MPa～1.2MPa；2)喷砂时间为5min～20min；3)喷丸为氧化铝陶瓷。
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
(1)提供石墨烯浆体和铜基粉末：
石墨烯浆体由如下质量百分数的原料制成：溶剂80％、石墨烯粉15％和分散剂5％；其中，溶剂选用乙醇，分散剂选用聚乙二醇，石墨烯粉的片径为0.1～5μm；为提高石墨烯的分散性，通过超声将上述原料混合均匀；
铜基粉末由如下质量百分数的原料制成：铜84.75％、锡6％、锌5％、铁1.5％、镍2％、铬0.2％、铅0.2％、磷0.2％、铋0.1％和硅0.05％；铜基粉末的粒径为0.1～100μm；
石墨烯粉在石墨烯铜基复合材料中的含量为0.1wt.％；
(2)将石墨烯浆体和铜基粉末放入混粉机中混合均匀，混粉时间为4h，转速为200rpm；然后烘干封装，得到粉体；
(3)将粉体装入特制的硅胶弹性模具中，密封；然后将装粉模具放入冷等静压缸体中，通过冷等静压进行粉体压制成型，最大压力为150MPa，保压时间为60min，得到生坯料；
(4)将生坯料放入真空烧结炉中进行烧结，烧结温度为900℃，烧结时间为2h，真空度≤0.01Pa；烧结后随炉冷却至室温，得到熟坯料；
(5)将熟坯料放入真空热处理炉中进行固溶热处理和时效热处理，得到石墨烯铜基复合材料；其中，固溶热处理包括以下步骤：在≤0.01Pa的真空度下，将上述熟坯料加热至700℃，保温2h，水冷至室温；时效热处理包括以下步骤：在≤0.01Pa的真空度下，将固溶热处理后的熟坯料加热至400℃，保温2h，空冷至室温，得到石墨烯铜基复合材料；
(6)将石墨烯铜基复合材料先经过喷砂机进行表面处理，喷砂气压为0.6MPa，喷砂时间为10min，喷丸为Al2O3陶瓷；然后采用磨床对其表面进行打磨光滑，得到石墨烯铜基刹车片。
(7)石墨烯铜基刹车片的性能测试：
对石墨烯铜基刹车进行抗拉强度、维氏硬度、磨损量和热导率测试，测试结果如表1所示。从表1可知，石墨烯铜基刹车片的抗拉强度为690MPa，维氏硬度为216HV，磨损量为0.0527g，热导率为407W/(M·K)，说明通过混粉、冷等静压、真空烧结、固溶热处理和时效热处理的制备工艺，能够制得高强度、高硬度、低磨损量和高热导率的石墨烯铜基刹车片。
表1.实施例1～9和对比例1～2制得的刹车片的性能测试结果
实施例2
本实施例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在于：石墨烯粉在石墨烯铜基复合材料中的含量为0.5wt.％。
对该石墨烯铜基刹车进行抗拉强度、维氏硬度、磨损量和热导率测试，测试结果如表1所示。对石墨烯铜基刹车片进行SEM表征，结果如图1所示。
从图1可知，采用冷等静压、真空烧结、固溶热处理和时效热处理的制备工艺制得的石墨烯铜基刹车片的致密度和合金均匀化程度都比较高。从表1可知，石墨烯铜基刹车片的抗拉强度为754MPa，维氏硬度为243HV，磨损量为0.0425g，热导率为435W/(M·K)，说明通过上述制备工艺，能够制得高强度、高硬度、低磨损量和高热导率的石墨烯铜基刹车片。并且，增加石墨烯粉含量，有利于提升石墨烯铜基刹车片的强度、硬度、耐磨性能和导热性能。
实施例3
本实施例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在于：石墨烯粉在石墨烯铜基复合材料中的含量为1wt.％。对该石墨烯铜基刹车进行抗拉强度、维氏硬度、磨损量和热导率测试，测试结果如表1所示。从表1可知，石墨烯铜基刹车片的抗拉强度为897MPa，维氏硬度为282HV，磨损量为0.0311g，热导率为482W/(M·K)，说明通过混粉、冷等静压、真空烧结、固溶热处理和时效热处理的制备工艺，能够制得高强度、高硬度、低磨损量和高热导率的石墨烯铜基刹车片。并且，增加石墨烯粉含量，有利于提升石墨烯铜基刹车片的强度、硬度、耐磨性能和导热性能。
实施例4
本实施例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在于：石墨烯粉在石墨烯铜基复合材料中的含量为2wt.％。对该石墨烯铜基刹车进行抗拉强度、维氏硬度、磨损量和热导率测试，测试结果如表1所示。从表1可知，石墨烯铜基刹车片的抗拉强度为873MPa，维氏硬度为276HV，磨损量为0.0366g，热导率为476W/(M·K)，说明通过混粉、冷等静压、真空烧结、固溶热处理和时效热处理的制备工艺，能够制得高强度、高硬度、低磨损量和高热导率的石墨烯铜基刹车片。相比实施例3，石墨烯铜基刹车片的强度、硬度、耐磨性能和导热性能略有下降，但相比实施例1和2，其强度、硬度、耐磨性能和导热性能仍有显著提升。
实施例5
本实施例与实施例3的制备方法基本相同，不同之处在于：在步骤(3)将粉体压制成型时，冷等静压的最大压力为200MPa，保压时间为30min。对该石墨烯铜基刹车进行抗拉强度、维氏硬度、磨损量和热导率测试，测试结果如表1所示。从表1可知，石墨烯铜基刹车片的抗拉强度为862MPa，维氏硬度为261HV，磨损量为0.0405g，热导率为472W/(M·K)，说明通过混粉、冷等静压、真空烧结、固溶热处理和时效热处理的制备工艺，在最大压力为200MPa、保压时间为30min的冷等静压条件下，也能制得高强度、高硬度、低磨损量和高热导率的石墨烯铜基刹车片。
实施例6
本实施例与实施例3的制备方法基本相同，不同之处在于：在步骤(4)将生坯料进行真空烧结时，烧结温度为800℃，烧结时间为2h。对该石墨烯铜基刹车进行抗拉强度、维氏硬度、磨损量和热导率测试，测试结果如表1所示。从表1可知，石墨烯铜基刹车片的抗拉强度为853MPa，维氏硬度为255HV，磨损量为0.0411g，热导率为459W/(M·K)，说明通过混粉、冷等静压、真空烧结、固溶热处理和时效热处理的制备工艺，在烧结温度为800℃，烧结时间为2h的真空烧结条件下，也能制得高强度、高硬度、低磨损量和高热导率的石墨烯铜基刹车片。
实施例7
本实施例与实施例3的制备方法基本相同，不同之处在于：在步骤(5)将熟坯料进行固溶热处理时，加热温度为600℃，保温2h。对该石墨烯铜基刹车进行抗拉强度、维氏硬度、磨损量和热导率测试，测试结果如表1所示。从表1可知，石墨烯铜基刹车片的抗拉强度为846MPa，维氏硬度为247HV，磨损量为0.0422g，热导率为463W/(M·K)，说明通过混粉、冷等静压、真空烧结、固溶热处理和时效热处理的制备工艺，在加热温度为600℃，保温2h的固溶热处理条件下，也能制得高强度、高硬度、低磨损量和高热导率的石墨烯铜基刹车片。
实施例8
本实施例与实施例3的制备方法基本相同，不同之处在于：在步骤(5)将熟坯料进行固溶热处理时，加热温度为800℃，保温2h。对该石墨烯铜基刹车进行抗拉强度、维氏硬度、磨损量和热导率测试，测试结果如表1所示。从表1可知，石墨烯铜基刹车片的抗拉强度为841MPa，维氏硬度为243HV，磨损量为0.0439g，热导率为462W/(M·K)，说明通过混粉、冷等静压、真空烧结、固溶热处理和时效热处理的制备工艺，在加热温度为800℃，保温2h的固溶热处理条件下，也能制得高强度、高硬度、低磨损量和高热导率的石墨烯铜基刹车片。
实施例9
本实施例与实施例3的制备方法基本相同，不同之处在于：在步骤(5)将固溶热处理后的熟坯料进行时效热处理时，加热温度为300℃，保温2h。对该石墨烯铜基刹车进行抗拉强度、维氏硬度、磨损量和热导率测试，测试结果如表1所示。从表1可知，石墨烯铜基刹车片的抗拉强度为886MPa，维氏硬度为269HV，磨损量为0.0336g，热导率为478W/(M·K)，说明通过混粉、冷等静压、真空烧结、固溶热处理和时效热处理的制备工艺，在加热温度为300℃，保温2h的时效热处理条件下，也能制得高强度、高硬度、低磨损量和高热导率的石墨烯铜基刹车片。
实施例10
本实施例与实施例3的制备方法基本相同，不同之处在于：在步骤(5)将固溶热处理后的熟坯料进行时效热处理时，加热温度为400℃，保温4h。对该石墨烯铜基刹车进行抗拉强度、维氏硬度、磨损量和热导率测试，测试结果如表1所示。从表1可知，石墨烯铜基刹车片的抗拉强度为893MPa，维氏硬度为274HV，磨损量为0.0325g，热导率为479W/(M·K)，说明通过混粉、冷等静压、真空烧结、固溶热处理和时效热处理的制备工艺，在加热温度为400℃，保温4h的时效热处理条件下，也能制得高强度、高硬度、低磨损量和高热导率的石墨烯铜基刹车片。
对比例1
本对比例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在于：不添加石墨烯浆体，直接将铜基粉末制成铜基摩擦材料和铜基刹车片，具体步骤如下：
(1)提供铜基粉末：
铜基粉末由如下质量百分数的原料制成：铜84.75％、锡6％、锌5％、铁1.5％、镍2％、铬0.2％、铅0.2％、磷0.2％、铋0.1％和硅0.05％；铜基粉末的粒径为0.1～100μm；
(2)将铜基粉末装入特制的硅胶弹性模具中，密封；然后将装粉模具放入冷等静压缸体中，通过冷等静压进行粉体压制成型，最大压力为150MPa，保压时间为60min，得到生坯料；
(3)将生坯料放入真空烧结炉中进行烧结，烧结温度为900℃，烧结时间为2h，真空度<0.01Pa；烧结后随炉冷却至室温，得到熟坯料；
(4)将熟坯料放入真空热处理炉中进行固溶热处理和时效热处理，得到石墨烯铜基复合材料；其中，固溶热处理包括以下步骤：在≤0.01Pa的真空度下，将上述熟坯料加热至700℃，保温2h，水冷至室温；时效热处理包括以下步骤：在≤0.01Pa的真空度下，将固溶热处理后的熟坯料加热至400℃，保温2h，空冷至室温，得到铜基摩擦材料；
(5)将铜基摩擦材料先经过喷砂机进行表面处理，喷砂气压为0.6MPa，喷砂时间为10min，喷丸为Al2O3陶瓷；然后采用磨床对其表面进行打磨光滑，得到铜基刹车片。
(6)铜基刹车片的性能测试：
对铜基刹车进行抗拉强度、维氏硬度、磨损量和热导率测试，测试结果如表1所示。从表1可知，铜基刹车片的抗拉强度为556MPa，维氏硬度为172HV，磨损量为0.0608g，热导率为391W/(M·K)，说明没有加入石墨烯对铜基粉末进行改性，铜基刹车片的强度、硬度、耐磨性能和导热性能都有所降低。
对比例2
本对比例与实施例3的制备方法基本相同，不同之处在于：真空烧结后不进行固溶热处理和时效热处理，具体步骤如下：
(1)提供石墨烯浆体和铜基粉末：
石墨烯浆体由如下质量百分数的原料制成：溶剂80％、石墨烯粉15％和分散剂5％；其中，溶剂选用乙醇，分散剂选用聚乙二醇，石墨烯粉的片径为0.1～5μm；为提高石墨烯的分散性，通过超声将上述原料混合均匀；
铜基粉末由如下质量百分数的原料制成：铜84.75％、锡6％、锌5％、铁1.5％、镍2％、铬0.2％、铅0.2％、磷0.2％、铋0.1％和硅0.05％；铜基粉末的粒径为0.1～100μm；
石墨烯粉在石墨烯铜基复合材料中的含量为1wt.％；
(2)将石墨烯浆体和铜基粉末放入混粉机中混合均匀，混粉时间为4h，转速为200rpm；然后烘干封装，得到粉体；
(3)将粉体装入特制的硅胶弹性模具中，密封；然后将装粉模具放入冷等静压缸体中，通过冷等静压进行粉体压制成型，最大压力为150MPa，保压时间为60min，得到生坯料；
(4)将生坯料放入真空烧结炉中进行烧结，烧结温度为900℃，烧结时间为2h，真空度<0.01Pa；烧结后随炉冷却至室温，得到熟坯料；
(5)将石墨烯铜基复合材料先经过喷砂机进行表面处理，喷砂气压为0.6MPa，喷砂时间为10min，喷丸为Al2O3陶瓷；然后采用磨床对其表面进行打磨光滑，得到石墨烯铜基刹车片。
(6)石墨烯铜基刹车片的性能测试：
对石墨烯铜基刹车进行抗拉强度、维氏硬度、磨损量和热导率测试，测试结果如表1所示。从表1可知，石墨烯铜基刹车片的抗拉强度为515MPa，维氏硬度为163HV，磨损量为0.0723g，热导率为425W/(M·K)。与实施例3相比，该石墨烯铜基刹车片的强度、硬度、耐磨性能和导热性能都明显降低；与实施例1相比，该石墨烯铜基刹车片的导热性能有所提升，但其强度、硬度和耐磨性能的降低幅度都非常明显。这说明在混粉、冷等静压和真空烧结工艺的基础上，引入固溶热处理和时效热处理，不仅有利于进一步石墨烯铜基刹车片的导热性能，还能大幅度提升刹车片的强度、硬度和耐磨性能。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准，说明书及附图可以用于解释权利要求的内容。
Claims (11)
1.一种石墨烯铜基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
混合石墨烯浆体和铜基粉末，得粉体；
将所述粉体压制成型，得生坯体；
将所述生坯体进行真空烧结，得熟坯体；
将所述熟坯体进行固溶热处理和时效热处理，得所述石墨烯铜基复合材料。
2.如权利要求1所述的石墨烯铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述固溶热处理包括以下步骤：在≤0.01Pa的真空度下，将所述熟坯料于600℃～800℃加热0.5～4h后，冷却至室温。
3.如权利要求1所述的石墨烯铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述时效热处理包括以下步骤：在≤0.01Pa的真空度下，将固溶热处理后的所述熟坯料于200℃～500℃加热0.5～4h后，冷却至室温。
4.如权利要求1～3任一项所述的石墨烯铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述真空烧结满足以下条件中的一个或多个：
1)烧结温度为800℃～1000℃；
2)烧结时间为0.5～4h；
3)真空度≤0.01Pa。
5.如权利要求4所述的石墨烯铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述压制成型的方法为冷等静压、液压成型和模压成型中的一种。
6.如权利要求5所述的石墨烯铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述冷等静压满足以下条件中的一个或多个：
1)成型最大压力为100MPa～200MPa；
2)保压时间为10min～120min。
7.如权利要求1所述的石墨烯铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述石墨烯浆体包括溶剂、石墨烯粉和分散剂。
8.如权利要求7所述的石墨烯铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述石墨烯浆体满足以下条件中的一个或多个：
1)所述石墨烯粉的片径为0.1～5μm；
2)所述溶剂为水和/或乙醇；
3)所述分散剂为聚乙二醇、聚乙烯醇和聚丙烯酸铵中的一种或多种；
4)所述溶剂、所述石墨烯粉和所述分散剂的质量比为(75～95)：(3～25)：(0.5～5)；
5)所述石墨烯粉在所述石墨烯铜基复合材料中的含量为0.05wt.％～2wt.％。
9.如权利要求1所述的石墨烯铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述铜基粉末满足以下条件中的一个或多个：
1)所述铜基粉末的化学成分包括铜，以及锡、锌、铁、镍、铬、铅、磷、铋和硅元素中的一种或多种；
2)所述铜基粉末中含有75wt.％～92wt.％的铜元素；
3)所述铜基粉末中含有5wt.％～8wt.％的锡元素；
4)所述铜基粉末中含有2wt.％～8wt.％的锌元素；
5)所述铜基粉末的粒径为0.1μm～100μm。
10.一种石墨烯铜基复合材料，其特征在于，采用如权利要求1～9任一项所述的石墨烯铜基复合材料的制备方法制得。
11.一种刹车片，其特征在于，将如权利要求10所述的石墨烯铜基复合材料进行表面处理后制得。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117966053A (zh) * | 2024-04-01 | 2024-05-03 | 成都工业学院 | 一种颗粒增强铜基复合材料及其制备方法 |
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2022
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