一种碳纤维网增强铜基耐磨材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种铜基复合铜锭的表面附着碳纤维网的制备方法，属于高导电、高耐磨铜基复合材料技术领域。
【背景技术】
[0002]随着机械、冶金、电子、电力、矿山、交通以及航空航天工业的迅猛发展，铜基复合材料被广泛用作集成电路的引线框架、灯丝引线、电阻焊电极、电动机电刷、电触头、高速列车架空导线及导电滑板等电工、电子材料。特别是磁悬浮等新型交通工具的出现，对材料的导电性、耐磨性和使用寿命等方面提出了更高要求，迫切需要开发不仅具有良好导电(热)性，而且具有较高机械和耐磨性能、较低热膨胀系数的功能材料。
[0003]公知的铜基耐磨复合材料的制备方法主要有以下几种:
(I)粉末冶金法:粉末冶金法作为制备碳纤维增强铜基复合材料和陶瓷颗粒增强铜基复合材料的常用方法，主要包括以下几个工艺:制粉、成形、烧结、成品加工等。其优点是工艺流程简单，易于大规模生产；缺点是烧结温度区狭小、制品的组织不均匀，耗时耗能、成本较高。
[0004](2)原位反应合成法:该方法是根据材料设计的要求，选择适当的反应剂(气相、液相或粉末固相)，在适当的温度下，借助其与基体金属或合金之间的化学反应，原位生成尺寸十分细小、分布均匀的增强相。原位反应合成技术主要有:放热弥散法(XD)、气液反应合成法(VLS)、自蔓延燃烧反应法(SHS)、直接氧化法(D1MX)、无压力浸润法(PRMEX)、反应喷射沉积法(RSD)、接触反应法(CR)和机械合金化法(MA)等。其主要优点是原料来源广泛且价格较低、工艺相对简单、制备成本低、适合并能够大规模工业化生产，是一种很有前途的合成技术。其主要缺点则是反应温度高，冷却后基体组织粗大，而且增强相的种类有限，体积分数也不够高，此外制备过程可能引入杂质，影响材料纯度。
[0005](3)复合电沉积法:复合电沉积技术作为一种制备复合材料的方法，与其它方法相比具有很多优点:A)制备过程在水溶液中进行，温度很少超过90°C，因此，除了耐高温陶瓷颗粒外，各种有机物和其它遇热易分解的物质都可作为不溶性固体颗粒分散到镀层中，制成各种类型的复合材料。B)在一般电镀设备、镀液、阳极等基础上略加改造就能制备复合镀层，设备前期投资少、操作简单、易于控制、生产费用低、能源消耗少，是制备复合材料的方便又经济的方法。C)可以通过对沉积液的调整，来将性质各异的固体颗粒沉积到金属表面，获得各种复合镀层。D)可通过调整电沉积的工艺条件来改变复合镀层的结构，最终改善复合材料的机械、物理与化学性能。但是，该方法最大的缺点是环保性差，使用中有大量的酸、碱等废液处理。
[0006]本发明结合上述几种方法的优缺点，提出采用传统的熔炼铸造技术，结合碳纤维的固定及自润滑性能，来制备一种碳纤维增强的铜基耐磨材料。其优点在于能够利用传统的真空铜及铜合金的熔炼技术与设备，前期投入少，成本低。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于，提供一种碳纤维网增强铜基耐磨材料的制备方法，通过将碳纤维网固定在铸造模具中，再用传统熔炼与铸造技术来制备碳纤维网增强的耐磨铜基复合材料，具体工艺见图1所示，具体步骤如下:
(1)碳纤维网经过表面清洁处理和活化后，沿浇铸模具的内表面均匀的予以固定，碳纤维网与浇铸模具的内表面之间的距离为2-5mm，各层相邻碳纤维网与之间的距离为I?3mm，碳纤维网的层数为I?50层；
(2)将步骤(I)中固定好碳纤维网的浇铸模具放入真空炉中的，在浇铸温度为900?1080°C条件下将熔化的纯铜液或铜合金液浇铸到固定好碳纤维网的浇铸模具中，静置5-40min;最终获得表面与次表面附着碳纤维网的铜基复合材料。
[0008]本发明所述碳纤维网的网格尺寸为0.5X0.5?1XlOmm ;碳纤维网所用碳纤维的直径为0.001?2謹。
[0009]本发明所述铜液和铜合金液均是采用传统的真空熔炼技术获得；所述铜合金液是纯铜中加入纯锡或纯铝熔炼得到的，铜合金液中锡的重量百分比含量为1%?5%、铝的重量百分比含量为1%?10%。
[0010]本发明对碳纤维网格尺寸及碳纤维粗细尺寸的界定，有利于金属液穿过碳纤维，促使碳纤维与铜或铜合金形成较好的界面结合，提高复合材料的强度。
[0011]本发明所述的对碳纤维网的活化技术(碳纤维网的常规活化技术)，是为了提高碳纤维与铜或铜合金液的界面相容性。
[0012]本发明所述的对碳纤维网的固定技术，是为了能够使得碳纤维主要分布与铜及铜合金的表面或次表面，可对铜及铜合金表面起到自润滑作用，也可提高复合材料表面磨损性能。
[0013]本发明所用原料碳纤维网、纯铜、纯锡、纯铝等均为市售，纯度彡99.9%。
[0014]本发明能够获得的有益效果有:
(1)本发明通过改变铜及铜合金表面的自润滑、抗磨损和膨胀系数等性能，使得铜及铜合金在具有较好导电性的基础上具有优异的耐磨性能，获得表面分布着数层碳纤维网的铜基复合材料；
(2)制备的复合材料铜或铜合金基体与碳纤维网结合紧密；
(3 )制备方法简单，能够在现有的设备进行大量生产、前期投入成本低。
【附图说明】
[0015]图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方案
[0016]下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
[0017]实施例1
Cl)碳纤维网(网格尺寸为0.5X0.5mm，碳纤维直径为0.0Olmm)经清洗、活化技术处理后，沿浇铸模具的内表面均匀的予以固定，碳纤维网与浇铸模具的内表面之间的距离为2mm，各层相邻碳纤维网与之间的距离为2mm，碳纤维的层数为5层；
(2)将纯铜和纯铝装入真空熔炼炉中的电磁感应熔炼的石墨罐中，在真空度为5X10_3Pa，熔炼温度为1100°C条件下熔化，并进行电磁搅拌；
(3)将步骤(I)中固定好碳纤维网的浇铸模具放入真空炉中的，在浇铸温度为900°C条件下将步骤(2)熔化的铜铝合金(在铜合金中铝的重量百分含量为5%)液浇铸到固定好碳纤维网的浇铸模具中，静置5min;从真空熔炼炉中取出模具，并进行脱模，最终得到碳纤维增强铜基耐磨材料产品。
[0018]实施例2
(I)碳纤维网(网格尺寸为5X5mm，碳纤维的直径为Imm)经清洗、活化技术处理后，沿浇铸模具的内表面均匀的予以固定，碳纤维网与浇铸模具的内表面之间的距离为3_，各层相邻碳纤维网与之间的距离为2mm，碳纤维的层数为20层；
(2 )将纯铜装入真空熔炼炉中的电磁感应熔炼的石墨罐中，在真空度为2 X 10?,熔炼温度为1000°C条件下熔化，并进行电磁搅拌；
(3)将步骤(I)中固定好碳纤维网的浇铸模具放入真空炉中的，在浇铸温度为1040°C条件下将步骤(2)熔化的纯铜液浇铸到固定好碳纤维网的浇铸模具中，静置20min ;从真空熔炼炉中取出模具，并进行脱模，最终得到碳纤维增强铜基耐磨材料产品。
[0019]实施例3
(1)碳纤维网(网格尺寸为1X10mm，碳纤维的直径为2mm)经清洗、活化技术处理后，沿浇铸模具的内表面均匀的予以固定，碳纤维网与浇铸模具的内表面之间的距离为5_，各层相邻碳纤维网与之间的距离为3mm，碳纤维的层数为45层；
(2)将纯铜和纯锡装入真空熔炼炉中的电磁感应熔炼的石墨罐中，在真空度为3X10_4Pa，熔炼温度为1050°C条件下熔化，并进行电磁搅拌；
(3)将步骤(I)中固定好碳纤维网的浇铸模具放入真空炉中的，在浇铸温度为1080°C条件下将步骤(2)熔化的铜锡合金(在铜合金中锡的重量百分含量为3%)液浇铸到固定好碳纤维网的浇铸模具中，静置40min;从真空熔炼炉中取出模具，并进行脱模，最终得到碳纤维增强铜基耐磨材料产品。
【主权项】
1.一种碳纤维网增强铜基耐磨材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤: (1)碳纤维网经过表面清洁处理和活化后，沿浇铸模具的内表面均匀的予以固定，碳纤维网与浇铸模具的内表面之间的距离为2-5mm，各层相邻碳纤维网之间的距离为I?3mm，碳纤维网的层数为I?50层； (2)将步骤(I)中固定好碳纤维网的浇铸模具放入真空炉中的，在浇铸温度为900?1080°C条件下将熔化的纯铜液或铜合金液浇铸到固定好碳纤维网的浇铸模具中，静置5?40min ;最终获得表面与次表面附着碳纤维网的铜基复合材料。2.根据权利要求1所述的碳纤维网增强铜基耐磨材料的制备方法，其特征在于:所述碳纤维网的网格的尺寸为0.5X0.5?1X 1mm ;碳纤维网所用的碳纤维直径为0.001?2mm ο3.根据权利要求1所述的碳纤维网增强铜基耐磨材料的制备方法，其特征在于:所述铜合金液是纯铜中加入纯锡或纯铝熔炼得到的，铜合金液中锡的重量百分比含量为1%?5%、铝的重量百分比含量为1%?10%。
【专利摘要】本发明公开一种碳纤维网增强铜基耐磨材料的制备方法，属于高导电、高耐磨铜基复合材料技术领域。该技术的特点在于采用传统的铸造技术将碳纤维网分布于铜及铜合金表面与次表面，获得一种具有自润滑、抗磨损和膨胀系数低的复合材料。可应用于电力机车滑板材料、滑动触头材料、电刷、电力半导体支撑电极、集成电路散热板等。该技术的特色在于获得的复合材料可通过对碳纤维网网格尺寸、碳纤维网的层数等的控制来实现对铜及铜合金耐磨材料膨胀系数的可调。该技术的优点在于，制备方法简单，能够利用现有的设备制备，前期投入少、成本低、应用领域广泛。
【IPC分类】C22C47/08, C22C101/10, C22C49/02
【公开号】CN104894494
【申请号】CN201510269308
【发明人】周晓龙, 郑忠, 曹建春, 阴树标
【申请人】昆明理工大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月25日