专利名称：一种炭纤维/铜复合材料及制备方法
技术领域：
本发明一种炭纤维/铜复合材料及制备方法，属于金属基复合材料领域，具体涉及一种炭纤维/铜复合材料及制备方法的技术方案。
背景技术：
炭/铜复合材料作为一种集结构和功能为一体的金属基复合材料，因具有优良的导电、导热、减磨、耐磨性能而被广泛地应用于各工业部门，例如作为摩擦材料、含油轴承、电接触材料、导电材料和机械零件材料等。特别是近年来，随着铁路高速化和电气化的发展，滑动导电材料发展迅速。炭/铜复合材料因其优异的导电、减磨耐磨性能而成为现代滑·动导电材料的首选，作为受电弓滑板材料和电刷材料有着广泛的应用前景。制造炭/铜复合材料的常用方法有粉末冶金法、搅拌法、挤压铸造法等。炭与铜在1200°C时润湿角才接近170°，溶解度只有O. 005at%,且不发生任何化学反应，也不形成任何碳化物，因此炭/铜复合材料的界面润湿问题显得十分突出，使炭/铜复合材料制备工艺复杂，严重制约了其性能提高和应用。就目前常见的粉末冶金炭/铜制品而言，由于存在炭与铜不润湿的问题，复合材料的孔隙率高，致密度低；烧结强度低，力学性能差；材料中铜呈孤立的岛屿状分布，也不利于导电性和摩擦磨损性能的提高。目前，涂覆与涂层，被认为是改善炭和铜界面润湿性的有效方法，如用电镀、化学镀、真空镀膜等在炭纤维或炭颗粒表面形成Ni、Cu、Cr、Fe、Zr、Ti、W、Mo等金属或合金涂层，或采用溶胶凝胶法、PVD法、CVD法等形成陶瓷涂层。尽管涂层及涂覆的方法很多，但由于工艺复杂，对纤维和颗粒本体涂层研究较多，对预制件整体涂层研究较少。因为预制件中存在许多交叉的结构点，难以进行整体涂覆，易产生“黑心效应”。整体来讲，无论采取哪一种涂层方法，一般都要求在涂镀前对纤维或颗粒进行表面清洗及改性处理，会对环境造成一定污染。因此，通过涂层方法改善界面润湿性的工艺还有待于完善，成本较高，难以实现工业化。以粉末冶金法为例，要改善界面润湿性则首先要制备镀铜石墨粉，包括石墨粉预处理和石墨粉镀铜两个步骤，预处理还包括亲水化、粗化、敏化、活化、还原和烘干等工艺过程，且精度不易控制。后续的粉末冶金工艺中的混粉过程由于铜、炭的密度悬殊较大，又成为另一个难题，需要耗费很长时间，一般连续混粉时间都在50 h左右。因此，无论是哪种制备方法，要实现铜及铜合金基体与炭界面之间较好的结合，都要求铜和炭组分之间有较好的相容性。由于炭与铜的界面问题致使目前炭/铜复合材料的制备工艺复杂，成本闻。
发明内容
本发明一种炭纤维/铜复合材料及制备方法的目的在于为克服现有技术之不足而提供一种制备工艺方法简单、成本低廉、可有效改善炭/铜界面润湿性，提高性能、拓展应用领域的炭纤维/铜复合材料及制备方法的技术方案。本发明一种炭纤维/铜复合材料，其特征在于是一种以短炭纤维压制得到的多孔炭坯体为预制体，在预制体的孔隙中渗入铜合金，使铜合金能充分填充炭坯体内的孔隙并最终形成网络状连续分布的铜合金基体的炭纤维/铜复合材料。上述一种炭纤维/铜复合材料的制备方法，其特征在于是一种以短炭纤维压制得到的多孔炭坯体为预制体，在预制体的孔隙中渗入铜合金，使铜合金能充分填充炭坯体内的孔隙并最终形成网络状连续分布的铜合金基体的炭纤维/铜复合材料的制备方法，该方法的工艺步骤为
①、取短炭纤维压制得到的多孔炭坯体为预制体，将长度为I 2mm的短炭纤维混合质量分数为20%的酚醛树脂通过压制方法得到密度为O. 7 I. 5g/cm3的多孔炭坯体，将多孔炭坯体在2200°C 2500°C进行热处理；
②、配制Cu粉和Zr粉混合的熔渗剂粉末，其中Zr粉质量百分比为10% 15%；
③、用步骤②制得的熔渗剂粉末包埋步骤①制得的预制体，在真空条件下，于1250 1350°C进行无压熔渗，所得产物即为炭纤维/铜复合材料。本发明一种炭纤维/铜复合材料及制备方法的优点在于由于采用上述工艺方法，通过添加Zr元素，使铜合金基体与炭坯体之间具有良好的浸润性和结合性，无需对碳预制件涂层，不但实现了无压熔渗，简化了工艺，而且使铜合金能充分填充炭坯体内的孔隙并最终形成网络状连续分布的铜合金基体，使该复合材料具有更好的导电性、冲击强度和摩擦磨损性能；炭纤维不但显著提高材料的力学性能，而且作为固体润滑剂降低了材料的摩擦系数及磨损率；对炭纤维进行热处理不仅可提高纤维的增强效果，还可调整纤维预制体结构、控制基体炭类型和含量进而调控材料的摩擦和导电性能，制备特定的炭纤维增强铜合金复合材料，用作摩阻材料、电刷材料、烧蚀材料、各种滑动轴瓦、滑块乃至生物材料。与其它炭/铜复合材料制备方法相比，本发明采用无压熔渗方法，工艺简单，成本低廉，易于实现工业化，能制备出具有高导电性、优异自润滑耐磨性、优异抗热振和耐烧蚀性的炭纤维/铜复合材料。
附图I为采用本发明方法所制备的炭纤维/铜复合材料金相照片。从图中可看出熔渗铜合金能充分填充炭复合坯体内连贯的孔隙，形成网络状分布的铜合金基体。
具体实施例方式实施方式I
秤取聚丙烯睛炭纤维和20wt%酚醛树脂，压制成O. 7 g/cm3的多孔炭复合坯体，在2200°C进行热处理；配制Cu/Zr质量比为9 1的熔渗剂；用配制好的熔渗剂包埋炭坯体，在真空条件下，1250°C保温30min,制备得到炭纤维/铜复合材料。
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ν· T "·IJS .....* ·,I.A. fe Su.IA V b··、··ι * ........实施方式2秤取聚丙烯睛炭纤维和20被％酚醛树脂，压制成I. 32 g/cm3的多孔炭复合坯体，在2400°C进行热处理；配制Cu/Zr质量比为87 13的熔渗剂；用配制好的熔渗剂包埋炭坯体，在真空条件下，1300°C保温30min,制备得到炭纤维/铜复合材料。其主要性能指标如下表所示
权利要求
1.一种炭纤维/铜复合材料，其特征在于是一种以短炭纤维压制得到的多孔炭坯体为预制体，在预制体的孔隙中渗入铜合金，使铜合金能充分填充炭坯体内的孔隙并最终形成网络状连续分布的铜合金基体的炭纤维/铜复合材料。
2.权利要求I所述一种炭纤维/铜复合材料的制备方法，其特征在于是一种以短炭纤维压制得到的多孔炭坯体为预制体，在预制体的孔隙中渗入铜合金，使铜合金能充分填充炭坯体内的孔隙并最终形成网络状连续分布的铜合金基体的炭纤维/铜复合材料的制备方法，该方法的工艺步骤为 ①、取短炭纤维压制得到的多孔炭坯体为预制体，将长度为I 2mm的短炭纤维混合质量分数为20%的酚醛树脂通过压制方法得到密度为0. 7 I. 5g/cm3的多孔炭坯体，将多孔炭坯体在2200°C 2500°C进行热处理； ②、配制Cu粉和Zr粉混合的熔渗剂粉末，其中Zr粉质量百分比为10% 15%； ③、用步骤②制得的熔渗剂粉末包埋步骤①制得的预制体，在真空条件下，于1250 1350°C进行无压熔渗，所得产物即为炭纤维/铜复合材料。
全文摘要
一种炭纤维/铜复合材料及制备方法，属于金属基复合材料领域，具体涉及一种炭纤维/铜复合材料及制备方法的技术方案。其特征在于是一种以短炭纤维压制得到的多孔炭坯体为预制体，在预制体的孔隙中渗入铜合金，使铜合金能充分填充炭坯体内的孔隙并最终形成网络状连续分布的铜合金基体的炭纤维/铜复合材料及其制备方法。本发明用作摩阻材料、电刷材料、烧蚀材料、各种滑动轴瓦、滑块乃至生物材料。与其它炭/铜复合材料制备方法相比，本发明采用无压熔渗方法，工艺简单，成本低廉，易于实现工业化，能制备出具有高导电性、优异自润滑耐磨性、优异抗热振和耐烧蚀性的炭纤维/铜复合材料。
文档编号C22C49/02GK102978543SQ20121051987
公开日2013年3月20日 申请日期2012年12月7日 优先权日2012年12月7日
发明者杨琳, 乔力 申请人:太原理工大学