CN1425784A

CN1425784A - 一种高耐磨/减摩锡青铜基复合材料

Info

Publication number: CN1425784A
Application number: CN 03114736
Authority: CN
Inventors: 涂江平; 王浪云; 杨友志; 张孝彬
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2003-01-03
Filing date: 2003-01-03
Publication date: 2003-06-25

Abstract

本发明是一种铜基复合材料，该材料含有(按重量)：0.2～4.5％多壁碳纳米管(CNTs)、0.1～1.3％TiB₂、其余为含0.35～12.0％Sn的Cu－Sn合金。它具有优良的耐磨性、低的摩擦系数，较高的抗压和抗拉强度、合适的硬度，良好的导电性和导热性。可用于制造传动轴瓦，也可制造电气列车受电滑板和电接触触头。

Description

一种高耐磨/减摩锡青铜基复合材料

技术领域

本发明属于铜基复合材料。

背景技术

传统的C/Cu复合材料由于结合了碳纤维高的比强度和比模量，低的轴向热膨胀系数、良好的减摩耐磨和导热性能，已被用作滑动材料和电接触材料。但在真空等环境中，碳纤维的减摩性能急剧恶化。碳纳米管(CNTs)是由稳定的C-C共价键构成的一维纳米材料，具有超强的力学性能。理论研究表明：多壁纳米碳管的平均杨氏模量为1.8TPa，平均弯曲强度高达14.2GPa；纳米碳管的拉伸强度是钢的100倍，比重仅钢的1/6，导热性与金刚石相仿而电导率可高于铜，因此被认为是制备超强复合材料的理想的极限增强材料。同时，多壁碳纳米管的结构为同心石墨面围成的中空圆柱体，具有优异的自润滑性能。因而，由多壁碳纳米管作为复合材料的增强体，还可显著地降低材料的摩擦系数，有效地提高其抗磨损性能。在相同的长径比下，由于多壁碳纳米管单体的体积远小于常规碳纤维，不但不会破坏基体的连续性，且可用较小的体积掺入量达到常规碳纤维增强复合材料的所具有的性能。日本东京大学的Kuzumaki等对热压和热挤制备的碳纳米管增强铝基复合材料的研究表明，碳纳米管在制备过程中没有被破坏，即使在983k温度下退火24h，碳纳米管与铝基体界面也没有发生化学反应，与纯铝相比，复合材料的机械性能得到了明显的提高。用化学稳定性良好的碳纳米管取代碳纤维制备复合材料，可以提高材料的环境稳定性。相对于其它陶瓷增强相，添加TiB₂除了使Cu基复合材料具有较高的强度和硬度外，还能够保持良好的导电和导热性能，并使碳纳米管与TiB₂协同增强的Cu基复合材料具有更优异的摩擦磨损性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有优良耐磨、减摩性能，抗张强度较高、弹性性能较好、热膨胀系数较低，良好的导电和导热性能，且加工方便的高耐磨/减摩锡青铜基复合材料。

本发明提供的复合材料含有(按重量)0.2～4.5％多壁碳纳米管、0.1～1.3％TiB₂、其余为含0.35～12.0％Sn的Cu-Sn合金。

本发明的高耐磨/减摩锡青铜基复合材料以Cu-Sn合金粉、多壁碳纳米管、TiB₂粉末为基本原料。其中多壁碳纳米管是以粒度为3～5nm的硅胶为载体、含Co的纳米催化剂在750℃温度C₂H₂∶N₂＝1∶3流动气氛中采用催化热分解(CCVD)法制备而成，其直径在20～40nm，长径比在100～1000之间。通常，将所制备的多壁碳纳米管进行纯化、球磨和表面化学镀镍处理。按复合材料成分配料将平均粒径为70μm的Cu-Sn合金粉、镀镍碳纳米管和平均粒径为12μm的TiB₂粉末超声振荡和机械混合。混合均匀的粉末在600～850MPa压力下压制成型，在750～850℃分解氨气氛中烧结，随炉降温制备成复合材料。

本发明复合材料通过调整Cu合金基体中多壁碳纳米管、TiB₂含量，以获得优良的耐磨和减摩性能。多壁碳纳米管经过球磨后长度变短，分散性提高。经过化学镀镍处理的多壁碳纳米管改善了与基体的润湿性，提高了界面结合强度。由于碳纳米管的良好的化学稳定性，不与Cu合金基体发生作用。分散性较好的高强度多壁碳纳米管分布于材料基体中而使复合材料获得高强度、高硬度和高耐磨性。同时由于多壁碳纳米管的自润滑作用，使复合材料还具有优良的减摩性能。添加TiB₂颗粒使复合材料的强度、硬度和耐磨性进一步提高。多壁碳纳米管及TiB₂本身具有良好的导电、导热性能，可使复合材料基体保持较高的导电率和热传导率。

具体实施方式

实施例：

复合材料成分含有(按重量)2.1％多壁碳纳米管、0.3％TiB₂、其余为含9.5％Sn的Cu-Sn合金。按材料成分配料将Cu-Sn合金粉、球磨-镀镍多壁碳纳米管、TiB₂粉末混合，经过超声振荡和机械搅拌后使镀镍多壁碳纳米管、TiB₂粉末在Cu-Sn合金粉末中分散均匀。混合均匀的粉末在750MPa压制成型，在800℃分解氨气氛中烧结，随炉降温制备成复合材料。表1示出了本发明复合材料在室温(20℃)力学、电学和热学性能。表1抗压强度抗拉强度延伸率冲击韧性硬度干摩擦系数热传导率σ_bc(MPa) σ_b(MPa) δ(％) (J/cm²) (HB) (GCr15钢对磨) (J/SM·℃)540 130 ≥2 ≥45 55 0.07-0.15 48

本发明复合材料与常用Cu-C复合材料(含短碳纤维：4wt.％)和铜锡合金(含Sn：10wt.％)相比，还具有如下优点：

1.耐磨性高。由于多壁碳纳米管和TiB₂颗粒的弥散强化作用并与铜基体结合强度高，本发明复合材料具有良好的耐磨性能。在滑动磨损(滑动速度0.523米/秒，施加载荷40牛顿，与Cu-0.1Ag对磨)条件下，无电流作用时，本发明材料的磨损率为1.3毫克/公里，而粉末冶金Cu-C复合材料的磨损率为7.0毫克/公里，Cu-10Sn合金的磨损率是11.4毫克/公里；在70伏30安培电流作用电滑动磨损(滑动速度14米/秒，施加载荷20牛顿，与Cu-0.1Ag对磨)时，本发明材料的磨损率为2.7毫克/公里，而粉末冶金Cu-C复合材料的磨损率为4.4毫克/公里，Cu-10Sn合金的磨损率是27.4毫克/公里。在24伏30安培条件下，本发明材料作为电极的电弧烧损量为2.47克/小时，是粉末冶金Cu-C复合材料烧损量的61％，Cu-10Sn合金烧损量的29％。

2.热膨胀系数低。本发明材料的线膨胀系数(20～100℃)为12.7-13.3×10^-6/℃，低于粉末冶金Cu-C复合材料的线膨胀系数(α_20-100℃：13.6×10^-6/℃)、Cu-10Sn合金的线膨胀系数(α_20-100℃：15.9×10^-6/℃)。

3.抗压强度高。本发明材料的抗压强度为540MPa，高于粉末冶金Cu-C复合材料的抗压强度(390MPa)，与硬态Cu-10Sn合金的抗压强度相同。

4.加工性能良好。本发明材料的过热敏感性低，不需固溶和时效处理，生产工艺易控制，产品性能稳定，成品率高。与Pb-Sn合金钎料钎焊性能良好，电镀(Ni、Sn、Ag)性能和与树脂封装性能良好。

本发明铜基复合材料可用来制造可用于制造传动轴瓦，也可制造电气列车受电滑板和电接触触头。

Claims

1.一种高耐磨/减摩锡青铜基复合材料，其特征是含有(按重量)0.2～4.5％多壁碳纳米管、0.1～1.3％TiB₂、其余为含0.35～12.0％Sn的Cu-Sn合金。

2.根据权利要求1所述的高耐磨明/减摩铜基复合材料，其特征是含有(按重量)2.1％多壁碳纳米管、0.3％TiB₂、其余为含9.5％Sn的Cu-Sn合金。

3.按权利要求1、2所述的高耐磨/减摩锡青铜基复合材料，其特征是所说的多壁碳纳米管是镀镍多壁碳纳米管。