cuc復(fù)合材料的制備工藝研究進(jìn)展

cuc復(fù)合材料的制備工藝研究進(jìn)展

1碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料銅具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和良好的加工性能，但室溫和高溫溫度低。用TiB2或碳纖維增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料不僅可以保持銅原有的高電導(dǎo)率,而且可大幅度提高強(qiáng)度,因此已成為銅基復(fù)合材料研究與開發(fā)的中心任務(wù)。碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料以其優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、減摩和耐磨性能以及較低的熱膨脹系數(shù),越來(lái)越引起工業(yè)界的重視。例如利用其低的熱膨脹系數(shù)和優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性等特點(diǎn),可以制成可控硅元件、電力機(jī)車導(dǎo)電滑履、電機(jī)電刷和電子元件中的支撐電極、觸點(diǎn)材料等,這樣可以大大延長(zhǎng)這些部件的使用壽命和設(shè)備的使用周期,同時(shí)可取代資源有限、價(jià)格昂貴的金、銀、鉬、鎢等稀貴金屬材料,降低成本。短碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料還可以用來(lái)制造集成電路散熱板。此外,用連續(xù)碳纖維或短碳纖維增強(qiáng)銅合金,還可以得到各種特殊性能的材料。如美國(guó)研制的航空航天用石墨-銅基復(fù)合材料,其工作溫度可達(dá)870℃,不亞于目前廣泛使用的鎳基高溫合金。2碳基復(fù)合材料在低碳電導(dǎo)率系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)展隨著金屬基復(fù)合材料研究的進(jìn)一步深入,人們?cè)絹?lái)越重視金屬基復(fù)合材料的功能特性的研究。Cu/C復(fù)合材料作為金屬基復(fù)合材料,因具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、減摩、耐磨性能而受到人們的關(guān)注。已廣泛用做低壓斷路器、空氣自動(dòng)開關(guān)、電刷、金剛石工具、電力機(jī)車的集電滑板、自潤(rùn)滑軸承等。國(guó)內(nèi)外在Cu/C復(fù)合材料的應(yīng)用方面開展了大量的研究工作,目前俄、日、美、英、德等國(guó)在這方面取得了較多的成果。日本研究人員證明,Cu/C復(fù)合材料適于低膨脹系數(shù)、高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率的場(chǎng)合。如大功率可控硅支撐電極、大規(guī)模集成電路基板、特種模具等。據(jù)資料報(bào)道,航空航天用的Cu/C復(fù)合材料在高溫下應(yīng)具有良好的電導(dǎo)率,高的縱向強(qiáng)度和彈性模量。日本、俄羅斯和中國(guó)的一些研究單位將Cu/C復(fù)合材料用于制造低壓接觸器電觸頭。美國(guó)和日本在汽車和其他低電壓設(shè)備用的Cu/C復(fù)合材料電刷和觸點(diǎn)的生產(chǎn)已經(jīng)取得了很大的發(fā)展,其中美國(guó)的聯(lián)合碳化物公司、斯塔克波爾公司、國(guó)民碳素公司、純碳公司和阿爾克碳素公司都處于領(lǐng)先地位。Cu/C復(fù)合材料中所加入的碳的主要形式有碳顆粒(石墨或碳)、短碳纖維、長(zhǎng)碳纖維等。但由于長(zhǎng)碳纖維的成本和涂層成本均較高,因此,人們的研究興趣主要集中在顆粒和短纖維上。顆粒的形態(tài)不僅有傳統(tǒng)的石墨顆粒,還有金剛石顆粒等。目前,美國(guó)的研究人員正在研究用富勒烯(C60)球粒與銅基體復(fù)合制成新型的Cu/C復(fù)合材料,以用于高能電磁加速器的電接觸滑塊等。我國(guó)合肥工業(yè)大學(xué)研究了用剪短的碳纖維和瀝青基碳?xì)侄汤w維與銅基復(fù)合制成Cu/C基復(fù)合材料,用做電接觸材料。日本人研究了用納米碳與銅復(fù)合的Cu/C復(fù)合材料,用做電子插接件,以進(jìn)一步提高其性能。3cu/c復(fù)合材料Cu/C復(fù)合材料的制備方法有許多種,大致可以分為固相成形和液相成形兩大類。固相成形工藝主要有粉末冶金方法、熱壓固結(jié)法等。液相成形法主要有攪拌法、擠壓鑄造法、真空液相浸滲法等。液相成形法具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、適于制造復(fù)雜形狀零件等優(yōu)點(diǎn)。而且,越來(lái)越多的資料表明,液相成形工藝浸滲法制備Cu/C復(fù)合材料,其電導(dǎo)率明顯高于用粉末冶金方法制備的Cu/C復(fù)合材料。據(jù)資料報(bào)道,日本有專利將銅或銅合金液浸滲入短碳纖維預(yù)制件中,獲得了性能優(yōu)良的Cu/C復(fù)合材料,可用做高速電力機(jī)車的滑板材料。我國(guó)研究人員也認(rèn)為,液相浸滲法制備的Cu/C復(fù)合材料,其各方面的性能均高于用傳統(tǒng)工藝制備的Cu/C復(fù)合材料。攪拌法是液相成形工藝中最常用的方法。我國(guó)對(duì)用此工藝制備Cu/C復(fù)合材料的研究較少,而國(guó)外,如日本日立公司用攪拌法制造了一種含石墨20w%的Cu/C合金復(fù)合材料。M.Suwa等也用攪拌法生產(chǎn)出了Cu/C復(fù)合材料。3.1粉末方法制備cu/c復(fù)合材料粉末冶金法是一種應(yīng)用較為廣泛的Cu/C復(fù)合材料零部件的制造方法。其具體步驟是:首先進(jìn)行銅(銅合金)等基體粉末的制備以及與石墨等成分的均勻混合,然后進(jìn)行模壓成形,最后進(jìn)行加壓或常壓下高溫?zé)Y(jié),制成Cu/C復(fù)合材料零部件。從20世紀(jì)六七十年代開始,法國(guó)、日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家先后對(duì)用粉末冶金方法制備Cu/C復(fù)合材料技術(shù)進(jìn)行了研究;采用粉末冶金法,在銅粉中加入具有潤(rùn)滑性的石墨、二硫化鉬、二碳化鎢等物質(zhì),經(jīng)燒結(jié)制成了復(fù)合電刷材料,但由于石墨和銅的浸潤(rùn)性較差,所得材料具有空隙度較大、組織不均、導(dǎo)電性差等缺點(diǎn)。我國(guó)對(duì)Cu/C復(fù)合材料的大規(guī)模研究始于20世紀(jì)80年代前后,主要是跟蹤國(guó)外的科研動(dòng)態(tài)對(duì)粉末冶金制備方法進(jìn)行了研究,并對(duì)該方法制備的Cu/C復(fù)合材料的摩擦磨損、導(dǎo)電、抗沖擊等性能和機(jī)理等進(jìn)行了研究。粉末冶金法制備復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)是制造溫度低,適用多種基體與纖維,特別是短纖維的結(jié)合。缺點(diǎn)是對(duì)纖維損傷大,纖維分布不均,含量不高。表1給出了采用粉末冶金技術(shù)制備的銅碳比不同的Cu/C復(fù)合材料的有關(guān)性能。3.2熱壓過(guò)程及纖維性能的影響熱壓固結(jié)法是制備碳纖維復(fù)合材料的傳統(tǒng)方法,該方法的實(shí)質(zhì)是擴(kuò)散焊接。在塑性變形不大時(shí),利用接觸部位的原子在高溫下相互擴(kuò)散,而使纖維和基體金屬(銅箔疊層)結(jié)合到一起。其中,預(yù)制片及熱壓過(guò)程是兩個(gè)重要工序,直接影響復(fù)合材料中纖維的分布和界面的性能。為防止基體金屬的氧化,熱壓過(guò)程必須在真空或保護(hù)氣氛下進(jìn)行,其中熱壓溫度和壓力為主要工藝參數(shù)。熱壓過(guò)程中,基體金屬逐漸充填到增強(qiáng)纖維之間的間隙中,發(fā)生基體與纖維之間原子的相互擴(kuò)散,形成復(fù)合材料。在燒結(jié)過(guò)程中,由于施加有一定的壓力,避免了粉末冶金法普通燒結(jié)過(guò)程中纖維回彈引起的密度下降,制得的復(fù)合材料孔洞少,致密度高,纖維分布均勻,相對(duì)粉末冶金法而言,對(duì)纖維的損傷小。這種方法的缺點(diǎn)是制造工藝較復(fù)雜,制造成本高。3.3cu/c復(fù)合材料采用粉末冶金法制備Cu/C復(fù)合材料時(shí),在焙燒過(guò)程中發(fā)生熱分解,使坯料中產(chǎn)生開放性與封閉性的氣孔(開孔率一般為20%~30%)。大量存在的氣孔,嚴(yán)重影響了Cu/C復(fù)合材料的耐磨性、導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度。采用液相浸滲法的目的就是使熔融的金屬填充到石墨骨架中,降低孔隙度,形成結(jié)構(gòu)牢固的凝聚體。液相浸滲原理示意圖如圖1所示。制備時(shí),首先將石墨等制成多孔塊料,然后將銅(銅合金)熔體在高溫高壓下浸滲到塊料中去,形成Cu/C復(fù)合材料。該方法制得的Cu/C復(fù)合材料的致密度較粉末冶金方法制得的要高,故其導(dǎo)電性更好。另外,由于采用該方法得到的復(fù)合材料的石墨含量較高,因此,潤(rùn)滑性較好。按照浸滲方式的不同,可將液相浸滲法分為氣體加壓法浸滲法和機(jī)械加壓法浸滲法。采用液相浸滲法制得的產(chǎn)品組織較均勻,同時(shí)產(chǎn)品中浸滲的金屬是連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),故其導(dǎo)電性有了提高。另外,產(chǎn)品以石墨制成的多孔塊料為骨架,所以石墨的含量較粉末燒結(jié)制品高,這在一定程度上降低了產(chǎn)品的密度,減小了使用時(shí)遭受的沖擊力。目前,液相浸漬法制得的Cu/C復(fù)合材料在德國(guó)、法國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家得到了廣泛的應(yīng)用,但該技術(shù)同樣需要壓制以及高溫高壓下浸滲等繁復(fù)工序,其工藝復(fù)雜、設(shè)備龐大,能耗大,成本高,而且僅適用于高石墨比例的Cu/C復(fù)合材料的制備。當(dāng)采用該方法制得的Cu/C復(fù)合材料用于電力機(jī)車受電弓滑板時(shí),隨著電力機(jī)車速度的提高,電力機(jī)車受電弓滑板及銅接觸線的磨損也會(huì)加大,特別是在混架區(qū)段,架線硬接點(diǎn)多,在電力機(jī)車高速?zèng)_擊下,滑板有被損傷、撞裂的現(xiàn)象,可能造成受電弓將接觸線刮斷,使整個(gè)電氣網(wǎng)路斷電、機(jī)車停運(yùn)等事故。這就大大限制了它的應(yīng)用[34~38]。4cu/c復(fù)合材料在其他領(lǐng)域的應(yīng)用經(jīng)過(guò)近幾十年的研究,Cu/C復(fù)合材料在種類、制備工藝、應(yīng)用等方面已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步