一种耐磨碳纳米纸-金属复合材料的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于耐磨材料利用技术领域，具体涉及一种耐磨碳纳米纸-金属复合材料 的制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着现代科学技术的飞速发展，特别是航天航空、汽械（内燃机活塞连杆、刹车 盘、轴承）等一些制动系统的迅速发展，人们对耐磨、低膨胀系数高导电导热材料的要求越 来越高。中国专利CN102555351A采用液、液复合铸造方法制备了一种高抗磨双金属复合材 料，但金属及其合金摩擦系数大，而且金属及其合金制备要求高。为减小金属及合金的摩擦 系数，中国专利CN101898239A介绍了一种复合耐磨材料陶瓷颗粒增强体的制备方法，增强 体是由WC陶瓷颗粒在真空高温环境中烧结而成，但该工艺方法存在碳化钨价格昂贵、陶瓷 颗粒只适合碳化钨等缺陷；为此国外专利US3933482A采用了一些价格便宜且含量相对丰 富的掺杂体（铬、硼、钛）对合金基进行掺杂制备出具有耐磨性能的复合材料；王德宏等用 机械合金化工艺制备Cu-Cr合金粉末，并在其中加入一定量的SiC增强材料，但其制备工艺 复杂不适宜批量生产。之后有人采用粉末冶金将石墨与铜合成复合材料以减小摩擦系数、 膨胀系数等，虽然这既能减小金属摩擦系数又能使生产批量化，但石墨的力学性能等比起 当今热门的其他碳材料并不算高，其复合材料的磨损性也不是很好。
[0003] 为了改善增强材料的力学等物理性能，进而采用碳纳米管（CNTs)作为增强体，采 用粉末冶金等方法制备CNTs-金属基复合材料，但随着CNTs含量的增加，CNTs会发生团 簇现象，而导致复合材料性能降低，并且CNTs-金属基复合材料的质量相对更重。为改善 CNTs在金属中的团聚问题，采用预先分散好的CNTs与金属盐溶液混合干燥烧结还原制备 出CNTs增强金属复合材料；或采用电化学共沉积方法制备出了电导、热导率、力学强度比 纯金属（Cu、Ni等）高且膨胀系数比金属小的CNTs增强金属基复合材料。虽然这两种方 法解决了 CNTs的团簇问题，也能改善金属复合材料的力学、热学、电学等性能，但是，由于 金属复合材料在人们的生产生活中占主导地位需商业化生产，而此两种方法不适宜大量生 产，因此，以下我们将引入新型的碳纳米纸用传统粉末冶金的技术来解决CNTs团聚、不宜 商业生产、物理性能不好等问题。
[0004] 碳纳米纸（CNP)作为一种新型材料，分散性优越，也具备优异的力学、电学性能， 又可作为一种衬底。CNP是由碳纳米材料（如碳纳米管CNTs、碳纤维CNFs)制备成的纳米 多孔结构的纸状材质，质量轻，具有优异的导电、导热特性，并且成纳米疏松多孔结构，其碳 纳米纸外貌及SEM图如图1、图2所示。CNTs是由一个或更多个同心石墨圆柱体及两端分 别由一个富勒烯帽组成；其力学、电学、热学性能强。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种不会发生团聚、质轻、制作成本低的耐磨碳纳米 纸-金属复合材料的制备方法。
[0006] 本发明的技术方案如下：
[0007] (1)压制：压制前用酒精清洗模具，以保证模具不污染样品，让其干燥方才使用。 将碳纳米纸及铜粉放入已清洗干燥好的模具中，碳纳米纸任意一面或两面均匀铺一层金属 粉，其厚度为4-10mm，并在200MPa-1000MPa下压制2-20min进行冷压成型；
[0008] 本发明的CNP-金属压片，是直接在模具中铺一层金属粉，在其上平铺一层CNP 衬底，衬底上铺金属粉（或直接在模具中铺一层金属粉，在其上平铺一层CNP衬底），金 属粉为Cu、Cr、A1任意一种金属粉或两种以上以一定比例混合的金属粉，其平均粒径为 50nm-5 ym，CNP-金属压片的厚度为;利用粉末冶金的压片机进行压制成型，静压 一段时间，能使成型的样品牢靠很多。
[0009] 优选的，压制前，由于金属粉放于模具中可能导致其在模具中分布不均，为防止 CNP放于金属粉之上而发生倾斜，可在放CNP之前用小压力将金属粉压成片，再将CNP置于 其上，而CNP之上的金属粉也可如此操作。
[0010] (2)烧结：将压制好的材料在惰性气体环境下采用间断式加热烧结，先让温度升 至300°C _400°C保温l_2h，再将温度升到500°C -1200°C保温l_3h，再进行自然降温至20°C 以下；
[0011] 本发明的CNP-金属压片烧结，通过管式退火炉进行烧结，同时利用惰性气体 作为周围环境，保证CNP和金属不被氧化；烧结温度采用间断式加热，先让温度升至 300°C _400°C，让其一温度保温一段时间，优选为2h，以便使CNP中的聚合物分解或排除其 中的空气，使其复合材料更致密；保温一段时间后再将温度升到500°C -1200°C，使金属粉 体与碳纳米纸发生塑性流动，以便使二者更好的融合，让其保温一段时间，优选为lh，再进 行自然降温。
[0012] (3)复压：烧结好的材料在200MPa-1000MPa下复压5-10min ;
[0013] 本发明的CNP-金属压片烧结后的复压，一般使用200MPa_1000MPa进行压制，是使 在500°C -1200°C中烧结CNP中的聚合物分解或排除其中的空气后的空隙尽量减小，让样品 更加均匀致密。
[0014] (4)复烧结：本发明的复压好的样品再次烧结，并在惰性气体氛围下进行，烧结温 度不用比之前烧结的高，采用500-700°C进行再次烧结，并保温烧结2-4h，保证复压后样品 的致密性，制成所述耐磨碳纳米纸-金属复合材料。
[0015] 表1碳纤维合成碳纳米纸性能参数
【主权项】
1. 一种耐磨碳纳米纸-金属复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 压制：在模具铺上碳纳米纸，并在碳纳米纸任意一面或两面均匀铺一层4-6mm厚金 属粉，并在200MPa-1000MPa下压制2-20min进行冷压成型； (2) 烧结：将压制好的材料在惰性气体环境下采用间断式加热烧结，先让温度升至 300°C _400°C保温l_2h，再将温度升到500°C -1200°C保温l_3h，再进行自然降温至20°C以 下； (3) 复压：烧结好的材料在200MPa-1000MPa下复压5-10min ; (4) 复烧结：复压后的材料在惰性气体环境下500-700°C进行再次烧结，并保温烧结 2-4h，制成所述耐磨碳纳米纸-金属复合材料。
2. 根据权利要求1所述的耐磨碳纳米纸-金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述 金属粉为Cu、Cr、Al任意一种金属粉或两种以上以一定比例混合的金属粉。
3. 根据权利要求2所述的耐磨碳纳米纸-金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述 金属粉的平均粒径为50nm-5 ym。
4. 根据权利要求1所述的耐磨碳纳米纸-金属复合材料的制备方法，其特征在于，放碳 纳米纸之前将金属粉压成片，再将碳纳米纸置于其上。
5. 根据权利要求1所述的耐磨碳纳米纸-金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述 压制、复压过程，利用粉末冶金的压片机进行压制成型。
6. 根据权利要求1所述的耐磨碳纳米纸-金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述 烧结、复烧结在气氛管式退火炉中进行。
7. 如权利要求1-6任意一项所述的方法制备出的耐磨碳纳米纸-金属复合材料。
【专利摘要】本发明公开了一种耐磨碳纳米纸-金属复合材料的制备方法，采用粉末冶金的方法，将金属粉体置于CNP上可以制备出耐磨碳纳米纸-金属复合材料，包括以下步骤：(1)压制：在模具铺上碳纳米纸，并在任意一面或两面均匀铺一层金属粉，并在200MPa-1000MPa下进行冷压成型；(2)烧结：将压制好的材料在惰性气体环境下采用间断式加热烧结，先让温度升至300℃-400℃保温，再将温度升到500℃-1200℃保温，再进行自然降温；(3)复压：烧结好的材料在200MPa-1000MPa下进行复压；(4)复烧结：复压后的材料在惰性气体环境下500-700℃进行再次烧结，并保温烧结4h，制成不发生团聚，质量轻、成本低且性能良好的耐磨碳纳米纸-金属复合材料。
【IPC分类】C22C1-04, C22C1-10
【公开号】CN104745856
【申请号】CN201510200480
【发明人】刘铸, 郭晓娇, 周小卫
【申请人】云南大学
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2015年4月24日