cuc复合材料的制备工艺研究进展

cuc复合材料的制备工艺研究进展

1碳纤维增强铜基复合材料铜具有良好的导电性、导热性和良好的加工性能，但室温和高温温度低。用TiB2或碳纤维增强的铜基复合材料不仅可以保持铜原有的高电导率,而且可大幅度提高强度,因此已成为铜基复合材料研究与开发的中心任务。碳纤维增强铜基复合材料以其优异的导电、导热、减摩和耐磨性能以及较低的热膨胀系数,越来越引起工业界的重视。例如利用其低的热膨胀系数和优异的导电、导热性等特点,可以制成可控硅元件、电力机车导电滑履、电机电刷和电子元件中的支撑电极、触点材料等,这样可以大大延长这些部件的使用寿命和设备的使用周期,同时可取代资源有限、价格昂贵的金、银、钼、钨等稀贵金属材料,降低成本。短碳纤维增强铜基复合材料还可以用来制造集成电路散热板。此外,用连续碳纤维或短碳纤维增强铜合金,还可以得到各种特殊性能的材料。如美国研制的航空航天用石墨-铜基复合材料,其工作温度可达870℃,不亚于目前广泛使用的镍基高温合金。2碳基复合材料在低碳电导率系统中的应用进展随着金属基复合材料研究的进一步深入,人们越来越重视金属基复合材料的功能特性的研究。Cu/C复合材料作为金属基复合材料,因具有优良的导电、导热、减摩、耐磨性能而受到人们的关注。已广泛用做低压断路器、空气自动开关、电刷、金刚石工具、电力机车的集电滑板、自润滑轴承等。国内外在Cu/C复合材料的应用方面开展了大量的研究工作,目前俄、日、美、英、德等国在这方面取得了较多的成果。日本研究人员证明,Cu/C复合材料适于低膨胀系数、高电导率、高热导率的场合。如大功率可控硅支撑电极、大规模集成电路基板、特种模具等。据资料报道,航空航天用的Cu/C复合材料在高温下应具有良好的电导率,高的纵向强度和弹性模量。日本、俄罗斯和中国的一些研究单位将Cu/C复合材料用于制造低压接触器电触头。美国和日本在汽车和其他低电压设备用的Cu/C复合材料电刷和触点的生产已经取得了很大的发展,其中美国的联合碳化物公司、斯塔克波尔公司、国民碳素公司、纯碳公司和阿尔克碳素公司都处于领先地位。Cu/C复合材料中所加入的碳的主要形式有碳颗粒(石墨或碳)、短碳纤维、长碳纤维等。但由于长碳纤维的成本和涂层成本均较高,因此,人们的研究兴趣主要集中在颗粒和短纤维上。颗粒的形态不仅有传统的石墨颗粒,还有金刚石颗粒等。目前,美国的研究人员正在研究用富勒烯(C60)球粒与铜基体复合制成新型的Cu/C复合材料,以用于高能电磁加速器的电接触滑块等。我国合肥工业大学研究了用剪短的碳纤维和沥青基碳毡短纤维与铜基复合制成Cu/C基复合材料,用做电接触材料。日本人研究了用纳米碳与铜复合的Cu/C复合材料,用做电子插接件,以进一步提高其性能。3cu/c复合材料Cu/C复合材料的制备方法有许多种,大致可以分为固相成形和液相成形两大类。固相成形工艺主要有粉末冶金方法、热压固结法等。液相成形法主要有搅拌法、挤压铸造法、真空液相浸渗法等。液相成形法具有工艺简单、成本低、适于制造复杂形状零件等优点。而且,越来越多的资料表明,液相成形工艺浸渗法制备Cu/C复合材料,其电导率明显高于用粉末冶金方法制备的Cu/C复合材料。据资料报道,日本有专利将铜或铜合金液浸渗入短碳纤维预制件中,获得了性能优良的Cu/C复合材料,可用做高速电力机车的滑板材料。我国研究人员也认为,液相浸渗法制备的Cu/C复合材料,其各方面的性能均高于用传统工艺制备的Cu/C复合材料。搅拌法是液相成形工艺中最常用的方法。我国对用此工艺制备Cu/C复合材料的研究较少,而国外,如日本日立公司用搅拌法制造了一种含石墨20w%的Cu/C合金复合材料。M.Suwa等也用搅拌法生产出了Cu/C复合材料。3.1粉末方法制备cu/c复合材料粉末冶金法是一种应用较为广泛的Cu/C复合材料零部件的制造方法。其具体步骤是:首先进行铜(铜合金)等基体粉末的制备以及与石墨等成分的均匀混合,然后进行模压成形,最后进行加压或常压下高温烧结,制成Cu/C复合材料零部件。从20世纪六七十年代开始,法国、日本、德国等发达国家先后对用粉末冶金方法制备Cu/C复合材料技术进行了研究;采用粉末冶金法,在铜粉中加入具有润滑性的石墨、二硫化钼、二碳化钨等物质,经烧结制成了复合电刷材料,但由于石墨和铜的浸润性较差,所得材料具有空隙度较大、组织不均、导电性差等缺点。我国对Cu/C复合材料的大规模研究始于20世纪80年代前后,主要是跟踪国外的科研动态对粉末冶金制备方法进行了研究,并对该方法制备的Cu/C复合材料的摩擦磨损、导电、抗冲击等性能和机理等进行了研究。粉末冶金法制备复合材料的优点是制造温度低,适用多种基体与纤维,特别是短纤维的结合。缺点是对纤维损伤大,纤维分布不均,含量不高。表1给出了采用粉末冶金技术制备的铜碳比不同的Cu/C复合材料的有关性能。3.2热压过程及纤维性能的影响热压固结法是制备碳纤维复合材料的传统方法,该方法的实质是扩散焊接。在塑性变形不大时,利用接触部位的原子在高温下相互扩散,而使纤维和基体金属(铜箔叠层)结合到一起。其中,预制片及热压过程是两个重要工序,直接影响复合材料中纤维的分布和界面的性能。为防止基体金属的氧化,热压过程必须在真空或保护气氛下进行,其中热压温度和压力为主要工艺参数。热压过程中,基体金属逐渐充填到增强纤维之间的间隙中,发生基体与纤维之间原子的相互扩散,形成复合材料。在烧结过程中,由于施加有一定的压力,避免了粉末冶金法普通烧结过程中纤维回弹引起的密度下降,制得的复合材料孔洞少,致密度高,纤维分布均匀,相对粉末冶金法而言,对纤维的损伤小。这种方法的缺点是制造工艺较复杂,制造成本高。3.3cu/c复合材料采用粉末冶金法制备Cu/C复合材料时,在焙烧过程中发生热分解,使坯料中产生开放性与封闭性的气孔(开孔率一般为20%~30%)。大量存在的气孔,严重影响了Cu/C复合材料的耐磨性、导电性和机械强度。采用液相浸渗法的目的就是使熔融的金属填充到石墨骨架中,降低孔隙度,形成结构牢固的凝聚体。液相浸渗原理示意图如图1所示。制备时,首先将石墨等制成多孔块料,然后将铜(铜合金)熔体在高温高压下浸渗到块料中去,形成Cu/C复合材料。该方法制得的Cu/C复合材料的致密度较粉末冶金方法制得的要高,故其导电性更好。另外,由于采用该方法得到的复合材料的石墨含量较高,因此,润滑性较好。按照浸渗方式的不同,可将液相浸渗法分为气体加压法浸渗法和机械加压法浸渗法。采用液相浸渗法制得的产品组织较均匀,同时产品中浸渗的金属是连续的网状结构,故其导电性有了提高。另外,产品以石墨制成的多孔块料为骨架,所以石墨的含量较粉末烧结制品高,这在一定程度上降低了产品的密度,减小了使用时遭受的冲击力。目前,液相浸渍法制得的Cu/C复合材料在德国、法国和日本等发达国家得到了广泛的应用,但该技术同样需要压制以及高温高压下浸渗等繁复工序,其工艺复杂、设备庞大,能耗大,成本高,而且仅适用于高石墨比例的Cu/C复合材料的制备。当采用该方法制得的Cu/C复合材料用于电力机车受电弓滑板时,随着电力机车速度的提高,电力机车受电弓滑板及铜接触线的磨损也会加大,特别是在混架区段,架线硬接点多,在电力机车高速冲击下,滑板有被损伤、撞裂的现象,可能造成受电弓将接触线刮断,使整个电气网路断电、机车停运等事故。这就大大限制了它的应用[34~38]。4cu/c复合材料在其他领域的应用经过近几十年的研究,Cu/C复合材料在种类、制备工艺、应用等方面已取得了长足的进步