專利名稱：：炭纖維整體織物/炭-銅復合材料及制備方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及金屬基復合材料領域，特別是指一種炭纖維整體織物/炭一銅復合材料及制備方法。
背景技術：
：炭/銅復合材料作為一種集結構和功能為一體的金屬基復合材料，因具有優(yōu)良的導電、導熱、減磨、耐磨性能而被廣泛地應用于各工業(yè)部門，例如作為摩擦材料、含油軸承、電接觸材料、導電材料和機械零件材料等。特別是近年來，隨著鐵路高速化和電氣化的發(fā)展，滑動導電材料發(fā)展迅速。炭/銅復合材料因其優(yōu)異的導電、減磨耐磨性能而成為現(xiàn)代滑動導電材料的首選，作為受電弓滑板材料和電刷材料有著廣泛的應用前景。制造炭/銅復合材料的常用方法有粉末冶金法、攪拌法、擠壓鑄造法等。炭與銅在120(TC時潤濕角才接近170°，溶解度只有0.005at%，且不發(fā)生任何化學反應，也不形成任何碳化物，因此炭/銅復合材料的界面潤濕問題顯得十分突出，使炭/銅復合材料制備工藝復雜，嚴重制約了其性能提高和應用。就目前常見的粉末冶金炭/銅制品而言，由于存在炭與銅不潤濕的問題，復合材料的孔隙率高，致密度低；燒結強度低，力學性能差；材料中銅呈孤立的島嶼狀分布，也不利于導電性和摩擦磨損性能的提高。目前，涂覆與涂層，被認為是改善炭和銅界面潤濕性的有效方法，如用電鍍、化學鍍、真空鍍膜等在炭纖維或炭顆粒表面形成Ni、Cu、Cr、Fe、Zr、Ti、W、Mo等金屬或合金涂層，或采用溶膠凝膠法、PVD法、CVD法等形成陶瓷涂層。盡管涂層及涂覆的方法很多，但由于工藝復雜，對纖維和顆粒本體涂層研究較多，對預制件整體涂層研究較少。因為預制件中存在許多交叉的結構點，難以進行整體涂覆，易產生"黑心效應"。整體來講，無論采取哪一種涂層方法，一般都要求在涂鍍前對纖維或顆粒進行表面清洗及改性處理，會對環(huán)境造成一定污染。因此，通過涂層方法改善界面潤濕性的工藝還有待于完善，成本較高，難以實現(xiàn)工業(yè)化。以粉末冶金法為例，要改善界面潤濕性則首先要制備鍍銅石墨粉，包括石墨粉預處理和石墨粉鍍銅兩個步驟，預處理還包括親水化、粗化、敏化、活化、還原和烘干等工藝過程，且精度不易控制。后續(xù)的粉末冶金工藝中的混粉過程由于銅、炭的密度懸殊較大，又成為另一個難題，需要耗費很長時間，一般連續(xù)混粉時間都在50h左右。因此，無論是哪種制備方法，要實現(xiàn)銅及銅合金基體與炭界面之間較好的結合，都要求銅和炭組分之間有較好的相容性。由于炭與銅的界面問題致使目前炭/銅復合材料的制備工藝復雜，成本高。炭/炭復合材料具有低密度、高比強度比模量、高熱傳導性、低熱膨脹系數(shù)、斷裂韌性好、耐磨、耐燒蝕、耐高溫性能好等特點，廣泛應用于航空、航天、核能、化工等領域。為更好地發(fā)揮炭/炭復合材料的優(yōu)勢，許多研究相繼展開。如炭/炭復合材料和金屬Cu的焊接;對炭/炭復合材料做涂層處理，在基體中添加難熔金屬碳化物，對炭/炭復合材料滲硅，以提高炭/炭復合材料抗氧化、耐燒蝕、抗熱震等性能，從而拓展炭/炭復合材料的應用。炭/炭復合坯體中有大量孔隙，可以滲入銅，利用銅的高溫發(fā)汗性，提高其抗燒蝕性能，制備抗熱震、耐燒蝕的炭/炭-銅復合材料；另外炭/炭復合材料和銅的導電性能都很好，可拓展到導電材料和導電摩擦材料領域。但是銅對炭材料的潤濕性能差，為了能在炭/炭復合坯體中滲入銅，必須改善銅與炭/炭復合坯體之間的潤濕性。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術之不足而提供一種制備工藝方法簡單、成本低廉、可有效改善碳/銅界面潤濕性，提高炭/銅復合材料性能、拓展炭/炭復合材料的應用領域的炭纖維整體織物/炭一銅復合材料及制備方法。本發(fā)明一-炭纖維整體織物/炭-銅復合材料是以炭纖維整體織物增密制備的多孔炭坯體為預制體，在預制體的孔隙中滲入銅合金。本發(fā)明一一炭纖維整體織物/炭-銅復合材料的制備方法包括下述工藝步驟(1)取多孔炭坯體為預制體。(2)配制Cu粉和Ti粉混合的熔滲劑。其中Ti粉重量百分比為5%到25%。(3)用步驟(2)的熔滲劑粉末包埋步驟(1)的預制體，在真空條件下，于1100。C-145(TC進行無壓熔滲，所得產物即為炭纖維整體織物/炭-銅復合材料。本發(fā)明--一炭纖維整體織物/炭-銅復合材料的制備方法的進一步改進是(1)將炭纖維整體織物通過化學氣相滲透或浸漬碳化方法增密成密度為0.7-1.5g/cm3的多孔炭坯體。(2)將多孔炭坯體預制體在200CTC-250(TC進行調質熱處理。本發(fā)明由于采用上述工藝方法，通過添加鈦元素，使銅合金基體與炭坯體之間具有良好的浸潤性和結合性，無需對碳預制件涂層，不但實現(xiàn)了無壓熔滲，簡化了工藝，而且使銅合金能充分填充炭坯體內的孔隙并最終形成網絡狀連續(xù)分布的銅合金基體，使該復合材料具有更好的導電性、沖擊強度和摩擦磨損性能；炭纖維整體織物增強不但顯著提高材料的力學性能，而且作為固體潤滑劑降低了材料的摩擦系數(shù)及磨損率；對炭纖維整體織物進行增密及調質處理不僅可提高纖維的增強效果，還可調整纖維預制體結構、控制基體炭類型和含量進而調控材料的摩擦和導電性能，制備特定的炭纖維增強炭塞體一銅合金復合材料，用作摩阻材料、電刷材料、燒蝕材料、各種滑動軸瓦、滑塊乃至生物材料。與其它炭/銅復合材料制備方法相比，本發(fā)明采用無壓熔滲方法，工藝簡單，成本低廉，易于實現(xiàn)工業(yè)化，能制備出具有高導電性、優(yōu)異自潤滑耐磨性、優(yōu)異抗熱振和耐燒蝕性的炭纖維整體織物/炭—銅復合材料。附圖為采用本發(fā)明方法所制備的炭纖維整體織物/炭-銅復合材料金相照片。從圖中可看出熔滲銅合金能充分填充炭復合坯體內連貫的孔隙，形成網絡狀分布的銅合金基體。具體實施方式實施例1采用聚丙烯睛炭纖維制成的針刺整體氈，經化學氣相滲透方法增密成0.7g/cm3的多孔炭復合坯體，在250(TC調質；配制Cu/Ti質量比為9.5:0.5的熔滲劑；用配制好的熔滲劑包埋炭坯體，在真空條件下，IIO(TC保溫30min，制備得到炭纖維整體織物/炭一銅復合材料。其主要性能指標如下表所示硬度抗彎強電阻率體積磨損率(g/cm:i(紫銅對偶/HRF度(MPa)(Q.cm)(mm7(m*N)))/50N)1.35X5.5145396.40.373.132X10—710—5實施例2采用聚丙烯睛炭纖維制成的針剌整體氈，經化學氣相滲透方法增密成1.35g/cn/的多孔炭復合坯體，在2300。C調質；配制Cn/Ti質量比為9:1的熔滲劑；用配制好的熔滲劑包埋炭坯體，在真空條件下，13(XTC保溫30min，制備得到炭纖維整體織物/炭一銅復合材料。其主要性能指標如下表所示-密度抗彎強摩擦系數(shù)體積磨損率硬度電阻率(g/cm3度(紫銅對偶(mm3/(m*N)/服F(Q.cm))(MPa)/50N))5.89X3.6160321.30.301.636X10實施例3采用聚丙烯睛炭纖維制成的針刺整體氈，經浸漬碳化方法增密成1.5g/cm3的多孔炭復合坯體，在200(TC調質；配制Cu/Ti質量比為7.5:2.5的熔滲劑；用配制好的熔滲劑包埋炭坯體，在真空條件下，145(TC保溫30min，制備得到炭纖維整體織物/炭一銅復合材料。其主要性能指標如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>權利要求1、炭纖維整體織物/炭-銅復合材料是以炭纖維整體織物增密制備的多孔炭坯體為預制體，在預制體的孔隙中滲入銅合金。2、炭纖維整體織物/炭-銅復合材料的制備方法，包括下述工藝步驟(1)取多孔炭坯體為預制體。(2)配制Cu粉和Ti粉混合的熔滲劑，其中Ti粉質量百分比為5%到25%。(3)用步驟(2)的熔滲劑粉末包埋步驟(1)的預制體，在真空條件下，于110(TC-145(TC進行無壓熔滲，所得產物即為炭纖維整體織物/炭一銅復合材料。3、根據權利要求2所述的炭纖維整體織物/炭-銅復合材料的制備方法，其特征在于Cu粉和Ti粉混合的熔滲劑，其中Ti粉質量百分比為10%到20%。4、根據權利要求2或3所述的炭纖維整體織物/炭-銅復合材料的制備方法，其特征在于Cu粉和Ti粉混合的熔滲劑，其中Ti粉質量百分比為15%。5、根據權利要求2所述的炭纖維整體織物/炭-銅復合材料的制備方法，其特征在于將炭纖維整體織物通過化學氣相滲透或浸漬碳化方法增密成0.9-1.3g/cm3的多孔炭坯體。6、根據權利要求2所述的炭纖維整體織物/炭-銅復合材料的制備方法，其特征在于將炭纖維整體織物通過化學氣相滲透或浸漬碳化方法增密成1.lg/cm3的多孔炭坯體。7、根據權利要求2所述的炭纖維整體織物/炭-銅復合材料的制備方法，其特征在于將多孔炭坯體在2000。C-250(TC進行調質熱處理。8、根據權利要求2所述的炭纖維整體織物/炭-銅復合材料的制備方法，其特征在于于120CTC-135(TC進行無壓熔滲，所得產物即為炭纖維整體織物/炭—銅復合材料。9、根據權利要求2所述的炭纖維整體織物/炭-銅復合材料的制備方法，其特征在于于125(TC進行無壓熔滲，所得產物即為炭纖維整體織物/炭—銅復合材料。10、根據權利要求2或7所述的炭纖維整體織物/炭-銅復合材料的制備方法，其特征在于將多孔炭坯體在225(TC進行調質熱處理。全文摘要炭纖維整體織物/炭-銅復合材料及制備方法，是以炭纖維整體織物增密制備得到的多孔炭坯體為預制體，在預制體的孔隙中滲入銅合金。本發(fā)明采用無壓熔滲方法，工藝簡單，成本低廉，易于實現(xiàn)工業(yè)化，能制備出具有高導電性、優(yōu)異自潤滑耐磨性、優(yōu)異抗熱振和耐燒蝕性的炭纖維整體織物/炭-銅復合材料。文檔編號C22C47/08GK101109060SQ20071003499公開日2008年1月23日申請日期2007年5月24日優(yōu)先權日2007年5月24日發(fā)明者冉麗萍,易振華,易茂中,琳楊申請人:中南大學