专利名称：一种炭/炭/铜复合材料及其生产工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于高导电性和耐磨性领域中材料，具体地说是 一种炭/炭/铜复合材料及其生产工艺。
背景技术：
炭纤维一铜基复合材料由于综合了铜的良好导电、导热性及炭纤 维的高比强度、比模量、低热膨胀系数及良好的润滑性，具备了较高 的强度、良好的传导性、减磨耐磨性、耐蚀性、耐电弧烧蚀性和抗熔 焊性等一系列优点，已被广泛应用于电子元件材料、滑动材料、触头 材料，集成电路散热板及耐磨器件等领域，是一类很有发展前途的新 型功能材料。目前，制备炭纤维一铜基复合材料主要采用以下几种工 艺粉末冶金法、热压法、挤压铸造法等。粉末冶金法制备炭纤维一 铜基复合材料，存在生产效率低、生产工艺复杂等不足， 一般只适用 于纤维含量较低的短纤维一铜基复合材料；热压法相对粉末冶金法， 对纤维损伤小，制得的材料性能较佳，但设备昂贵，成本高，不易批 量生产，在工业上较难推广；挤压铸造法制备炭纤维一铜基复合材料 是一种有效方法，工艺参数易于控制，性能稳定，制备成本低，合理 控制工艺参数可以制备出高性能的复合材料，但在获得良好制备性能 的复合材料方面还存在很多不足，挤压铸造过程易产生几大缺陷纤 维体积含量难以控制，易造成炭纤维的偏聚；高压作用下，造成很大 的应力集中，纤维与纤维界面脆性接触，裂纹易迅速扩展造成低应力破坏。
发明内容
本发明的目的是提供一种生产工艺易控制，产品均质性好，具有 优良综合性能的炭/炭/铜复合材料及其生产工艺。
本发明是采用如下技术方案实现其发明目的的，将短炭纤维通过 无纺技术制备成网胎，将长纤维通过纺织技术制备成炭布，然后通过 针刺技术将两者复合成预制件(复合时根据工艺需要加入铜粉或铜合 金粉)，再经过化学气相沉积(渗透)和/或浸渍等技术，或采用随后的 真空压力渗铜技术，使不同形态的碳、铜或铜合金复合成一体而制成 炭/炭/铜复合材料。
一种炭/炭/铜复合材料，以重量100%计，炭/炭复合材料与铜或 铜合金的重量比为15 75: 8 5 2 5。
所述的炭/炭/铜复合材料增密后表观密度为1. 3 g/cm3 6. 2g/ cm3，电阻率为lu Qm 26u Qm，肖式硬度为40 85，抗弯强度为 35MPa 150MPa。
其生产工艺，包括以下步骤
(1) 开松成网按配比选取6咖 70咖长的短炭纤维，经开松设 备开松成蓬松的单根状纤维，然后把开松好的炭纤维经气流成网和/ 或梳理成网，再利用铺网机铺成纤维网，预剌成网胎，所述网胎的面 密度为50 g/m2 100g/m2;
(2) 叠层针刺复合把经步骤(l)所得的网胎平铺在工作台上，将按
配比选取的铜粉或铜合金粉均匀撒于网胎上，然后铺层炭布，再在炭 布上面铺层网胎，通过针刺，包裹固定铜粉或铜合金粉，如此重复制成所需要求的炭/炭/铜复合材料预制件，所述炭布的面密度为200 g/m2 300g/m2;
(3)增密将步骤(2)所得的预制件增密成炭/炭/铜复合材料。
本发明的步骤(2)还可以为把经步骤(1)所得的网胎平铺在工作台上，将按配比选取的铜粉或铜合金粉均匀撒于网胎上，再铺层网胎，通过针刺，包裹固定铜粉或铜合金粉，如此重复制成所需要求的炭/炭/铜复合材料预制件。
本发明在步骤(2)中，针刺工艺为针剌深度7 15mm;针刺密度3 10次/cm 2。
本发明的另一种生产工艺还可以采用以下步骤
(1) 开松成网按配比选取6咖 70咖长的短炭纤维，经开松设 备开松成蓬松的单根状纤维，然后把开松好的炭纤维经气流成网和/ 或梳理成网，再利用铺网机铺成纤维网，预刺成网胎，所述网胎的面 密度为50 g/m2 100g/m2;
(2) 叠层针刺复合把经步骤(l)所得的网胎平铺在工作台上，在其上面铺层炭布，然后再铺层网胎，通过针刺使其复合，如此重复制成所需要求的炭/炭复合材料预制件，所述炭布的面密度为200 g/m2 300g/m2;
(3) 增密将步骤(2)所得的预制件增密成所需密度和孔隙度的坯体；
(4) 渗铜将步骤(3)所得坯体和按配比选取的铜或铜合金放入真空熔炼炉中，使铜或铜合金液渗入坯体之中制成炭/炭/铜复合材料。
本发明在步骤(2)中，针刺工艺为针刺深度7 15mm;针刺密度3
10次/cm 2。
本发明在步骤(4)中，首先将真空熔炼炉升温使铜或铜合金熔化， 然后通入惰性气体，使铜液或铜合金液在1.2X105Pa 3Xl()5pa压 力下渗入到坯体中制成炭/炭/铜复合材料。
由于采用上述技术方案，本发明较好的实现了发明目的，其生产 工艺简单易控，具有良好的制备性能，制成的复合材料具有优良的耐 磨性和适宜的导电性，还具有高比强度、高比模量、耐高温、耐烧蚀 等特点，可应用于高导电性和耐磨性领域；如用该材料制造的电刷明 显提高了电刷的电学和力学性能，电刷的磨损量低于0. 18 mm / 50h， 而目前所用电刷的磨损量一般高于0. 20 mm / 50h。
具体实施例方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1:
一种炭/炭/铜复合材料，以重量100%计，炭/炭复合材料与铜或 铜合金(本实施例采用铜粉)的重量比为15 75 (本实施例为75): 8 5 2 5 (本实施例为25)，所述炭/炭/铜复合材料增密后表观密 度为1. 3 g/cm 3 6. 2g/cm 3 (本实施例为2. 5 g/cm 3)，电阻率为1 u Qm 26u Qm (本实施例为20u Qm)，肖式硬度为40 85 (本实施 例为80)，抗弯强度为35Mpa 150Mpa .(本实施例为130Mpa)。 其生产工艺包括以下步骤
(l)开松成网按配比选取6咖 70咖长的短炭纤维，经开松设 备开松成蓬松的单根状纤维，然后把开松好的炭纤维经气流成网和/ 或梳理成网(本实施例采用气流成网和梳理成网)，再利用铺网机铺成纤维网，预刺成网胎；所述网胎的面密度为70 g/ltf。
(2) 叠层针刺复合把经步骤(l)所得的网胎平铺在工作台上，将按 配比选取的铜或铜合金(本实施例采用铜粉)均匀撒于网胎上，然后 铺层炭布，再在炭布上面铺层网胎，通过针刺，包裹固定铜粉，如此 重复制成所需要求的炭/炭/铜复合材料预制件；所述炭布的面密度 为220g/ m2
(3) 增密将步骤(2)所得的预制件增密成炭/炭/铜复合材料。增
密工艺采用但不限于化学气相渗透(沉积)和液相浸渍相结合的增密 工艺，使其密度达到2.5 g/cm3。
本发明在步骤(2)中，针刺工艺为针刺深度9 mm;针剌密度5次/
一 2
cm 。
制成的炭/炭/铜复合材料可用于高导电性和耐磨性领域，如制 造电机电刷、电力机车滑板等。
实施例2:
以重量100%计，炭/炭复合材料与铜或铜合金(本实施例采用铜 -锡合金粉)的重量比为60: 40，所述炭/炭/铜复合材料增密后表 观密度为4. 0 g/cm 3 ，电阻率为25uQm，抗弯强度为45MPa，肖氏 硬度为50。
其生产工艺在步骤(l)中，所述网胎的面密度为85g/nf。 步骤(2)为把经步骤(l)所得的网胎平铺在工作台上，将按配比选取 的铜-锡合金粉均匀撒于网胎上，再铺层网胎，通过针剌，包裹固定 铜-锡合金粉，如此重复制成所需要求的炭/炭/铜复合材料预制件。 其针刺工艺为针刺深度12 mm;针刺密度7次/cm2。
增密工艺采用液相浸渍，使其密度达到4.0 g/cm3。
余同实施例1。
制成的炭/炭/铜复合材料可用于高导电性和耐磨性领域，如制 造电机电刷、电力机车滑板等。
实施例3:
一种炭/炭/铜复合材料，以重量100%计，炭/炭复合材料与铜或 铜合金(本实施例采用铜粉)的重量比为15 75 (本实施例为20): 8 5 25 (本实施例为80)，所述炭/炭/铜复合材料增密后表观密 度为1. 3 g/cm 3 6. 2g/cm 3 (本实施例为6. 2 g/cm 3)，电阻率为1 u Qm 26u Qm (本实施例为5u Qm)，肖式硬度为40 85 (本实施例 为45)，抗弯强度为35Mpa 150Mpa (本实施例为65Mpa)。
其生产工艺包括以下步骤-
(1) 开松成网按配比选取6 mm 70咖长的短炭纤维，经开松设 备开松成蓬松的单根状纤维，然后把开松好的炭纤维经气流成网和/ 或梳理成网(本实施例采用气流成网和梳理成网)，再利用铺网机铺 成纤维网，预刺成网胎，所述网胎的面密度为60g/ltf;
(2) 叠层针刺复合把经步骤(l)所得的网胎平铺在工作台上，在其 上面铺层炭布，然后再铺层网胎，通过针刺使其复合，如此重复制成 所需要求的炭/炭复合材料预制件，所述炭布的面密度为260g/ m2;
(3) 增密将步骤(2)所得的预制件增密成所需密度和孔隙度的坯
体；
增密工艺采用但不限于化学气相渗透(沉积)，控制增密条件可 制得所需要求(通常为孔隙度)的坯体。
(4)渗铜将步骤(3)所得坯体和按配比选取的铜放入真空熔炼炉
中，使铜渗入坯体之中制成炭/炭/铜复合材料。
本发明在步骤(2)中，针刺工艺为针刺深度13咖；针刺密度10次 /cm2。
本发明在步骤(4)中，首先将真空熔炼炉升温使铜熔化，在通入惰 性气体，加压至1.2X105Pa 3X105Pa (本实施例为2X105Pa ) 情况下，使铜液渗入到坯体中制成炭/炭/铜复合材料。
控制坯体孔隙度和渗铜工艺参数可制取不同铜含量的炭/炭/ 铜复合材料。
制成的炭/炭/铜复合材料可用于高导电性和耐磨性领域，如制 造电机电刷、电力机车滑板等。
实施例4:
以重量100%计，炭/炭复合材料与铜或铜合金(本实施例采用铜 -锡合金粉)的重量比为70: 30，所述炭/炭/铜复合材料增密后表 观密度为3.0 g/cm 3 ,电阻率为15u Qm，抗弯强度为lOOMPa，肖 氏硬度为60。
在步骤(4)中，首先将真空熔炼炉升温使铜-锡合金熔化，在通入 惰性气体，加压至2X105pa情况下，使铜-锡合金液渗入到坯体中制 成炭/炭/铜复合材料。
余同实施例3。
制成的炭/炭/铜复合材料可用于高导电性和耐磨性领域，如制 造电机电刷、电力机车滑板等。
权利要求
1、一种炭/炭/铜复合材料，其特征是以重量100％计，炭/炭复合材料与铜或铜合金的重量比为15～75∶85～25。
2、 根据权利要求1所述的炭/炭/铜复合材料，其特征是所述炭 /炭/铜复合材料增密后表观密度为1. 3 g/cm 3 6. 2g/cm 3，电阻率 为lu Qm 26u Qm，肖式硬度为40 85，抗弯强度为35MPa 150MPa。
3、 一种生产如权利要求1或2所述炭/炭/铜复合材料的生产工 艺，其特征是包括以下步骤(1) 开松成网按配比选取6 im 70咖长的短炭纤维，经开松设 备开松成蓬松的单根状纤维，然后把开松好的炭纤维经气流成网和/ 或梳理成网，再利用铺网机铺成纤维网，预剌成网胎，所述网胎的面 密度为50 g/m2 100g/m2;(2) 叠层针剌复合把经步骤(l)所得的网胎平铺在工作台上，将按配比选取的铜粉或铜合金粉均匀撒于网胎上，然后铺层炭布，再在炭 布上面铺层网胎，通过针刺，包裹固定铜粉或铜合金粉，如此重复制成所需要求的炭/炭/铜复合材料预制件，所述炭布的面密度为200 g/m2 300g/m2;(3) 增密将步骤(2)所得的预制件增密成炭/炭/铜复合材料。
4、 一种生产如权利要求1或2所述炭/炭/铜复合材料的生产工 艺，其特征是包括以下步骤(l)开松成网按配比选取6咖 70 mm长的短炭纤维，经开松设 备开松成蓬松的单根状纤维，然后把开松好的炭纤维经气流成网和/ 或梳理成网，再利用铺网机铺成纤维网，预刺成网胎，所述网胎的面密度为50 g/m2 100g/m2;(2) 叠层针刺复合把经步骤(l)所得的网胎平铺在工作台上，在其 上面铺层炭布，然后再铺层网胎，通过针刺使其复合，如此重复制成 所需要求的炭/炭复合材料预制件，所述炭布的面密度为200 g/nf 300g/m2;(3) 增密将步骤(2)所得的预制件增密成所需密度和孔隙度的坯体；(4) 渗铜将步骤(3)所得坯体和按配比选取的铜或铜合金放入真空 熔炼炉中，使铜或铜合金液渗入坯体之中制成炭/炭/铜复合材料。
5、 根据权利要求3所述炭/炭/铜复合材料的生产工艺，其特征 是在步骤(2)中，针刺工艺为针刺深度7 15mm;针刺密度3 10次/ cm 0
6、 根据权利要求4所述炭/炭/铜复合材料的生产工艺，其特征 是在步骤(2)中，针剌工艺为针刺深度7 15mm;针刺密度3 10次/cm.
7、 根据权利要求3所述炭/炭/铜复合材料的生产工艺，其特征 是步骤(2)为把经步骤(1)所得的网胎平铺在工作台上，将按配比选取的 铜粉或铜合金粉均匀撒于网胎上，再铺层网胎，通过针刺，包裹固定 铜粉或铜合金粉，如此重复制成所需要求的炭/炭/铜复合材料预制 件。
8、 根据权利要求4所述炭/炭/铜复合材料的生产工艺，其特征 是在步骤(4)中，首先将真空熔炼炉升温使铜或铜合金熔化，然后通入 惰性气体，使铜液或铜合金液在1.2X105Pa 3Xl()5pa压力下渗入 到坯体中制成炭/炭/铜复合材料。
全文摘要
本发明公开了一种生产工艺易控制，产品均质性好，具有优良综合性能的炭/炭/铜复合材料，其特征是以重量100％计，炭/炭复合材料与铜或铜合金的重量比为15～75∶85～25；其生产工艺为将制备的网胎与炭布通过针刺复合成预制件，再经过增密(或真空压力渗铜)，使不同形态的碳、铜或铜合金复合成一体而制成炭/炭/铜复合材料；本发明生产工艺简单易控，制成的复合材料具有优良的耐磨性和适宜的导电性，还具有高比强度、高比模量、耐高温、耐烧蚀等特点，可应用于高导电性和耐磨性领域；如用该材料制造的电刷的磨损量低于0.18mm/50h，而目前所用电刷的磨损量一般高于0.20mm/50h。
文档编号C22C49/00GK101195899SQ20071003595
公开日2008年6月11日 申请日期2007年10月22日 优先权日2007年10月22日
发明者廖寄乔, 王跃军, 邰卫平 申请人:湖南博云高科技有限公司