一种纳米碳增强的耐磨复合材料的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料技术领域，尤其是涉及金属基耐磨材料领域，具体涉及一种纳米碳材料增强的耐磨复合材料。
【背景技术】
[0002]耐磨材料，是新材料领域的核心，对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，在全球新材料研究领域中，耐磨材料约占85%。同时，耐磨材料是以车辆为代表的交通工具中最关键的安全零件之一，对制动效果的起决定性作用。现有的常规制动材料，如半金属基合成材料、铜基/铁基耐磨材料等，无论是摩擦系数和运行平稳性，还是导热性、耐磨性等方面均有较大的提升空间。
[0003]碳纳米管，于1991年被日本科学家发现。管壁上每个碳原子间通过有“最强化学键”之称的sp2杂货轨道相结合。碳纳米管的抗拉强度达到50?200GPa，是钢的100倍，比常规石墨纤维高一个数量级;碳纳米管的比重只有钢的1/6;碳纳米管的导热系数约为6000W/(m.K)，与金刚石相当，是铜的14倍，氧化铝的160倍。
[0004]现有技术中的耐磨材料通常是掺入石墨，但其材料的实际能达到的电阻率、抗压强度还有提升的空间。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的现有技术是提供一种纳米碳增强的耐磨复合材料，通过在配方中引入纳米碳材料，达到导热性、强度、硬度和耐磨性明显提升的新型耐磨复合材料。
[0006]为解决上述技术问题，本发明第一方面提供一种纳米碳增强的耐磨复合材料，其按质量百分比包括，金属粉55?99%，陶瓷粉0.1?35%，纳米碳0.01?15%。
[0007]优选地，纳米碳增强的耐磨复合材料，其按质量百分比包括，金属粉60?99%，陶瓷粉0.1?35%，碳纳米管0.01?10%。
[0008]优选地，纳米碳增强的耐磨复合材料，其按质量百分比包括，金属粉62?95%，陶瓷粉1?35%，碳纳米管0.1?8.0%。
[0009]优选地，纳米碳增强的耐磨复合材料，其按质量百分比包括，金属粉65?95%，陶瓷粉4?35%，碳纳米管0.5?4.0%。
[0010]优选地，纳米碳增强的耐磨复合材料，其按质量百分比包括，金属粉65?95%，陶瓷粉4?35%，碳纳米管0.5?3.0%。；更优选地，纳米碳增强的耐磨复合材料，其按质量百分比包括，金属粉63?95%，陶瓷粉4?35%，碳纳米管0.1?2.0%。
[0011]本发明一优选技术方案中，所述的金属粉选自铜粉、铁粉、钛粉、镍粉、锡粉、锌粉、铝粉、锰粉、铬粉中的一种或几种混合;所述的金属粉优选选自铜粉、铁粉、锰粉、铬粉中的一种或其混合;所述的金属粉的粒径为0.1?500微米。
[0012]本发明一优选技术方案中，所述的陶瓷粉选自碳化物、氮化物、硫化物、硼化物、氧化物中一种或两种以上的任意比例混合物，优选选自碳化物、氮化物、硫化物，所述的陶瓷粉的粒径为0.05?300微米。
[0013]所述碳化物选自碳化硅、碳化硼等碳化物或其混合;所述氮化物选自氮化硅、氮化硼等氮化物或其混合;所述硫化物选自硫化锑、硫化钼等硫化物或其混合;所述硼化物选自硼化锆、硼化铝等硼化物或其混合;所述氧化物选自氧化铝，二氧化硅等氧化物或其混合。
[0014]本发明一优选技术方案中，上述碳纳米管选自单壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的一种或两种的任意比例混合物，以粉末的形式加入，所述碳纳米管的外径为10?120纳米，长度1?10微米。
[0015]本发明的第二方面提供一种纳米碳增强的耐磨复合材料的制备方法，其包括如下步骤:
[0016]1)取碳纳米管、陶瓷粉，75°C_90°C烘干待用；
[0017]2)在洁净的混合机中依次投入碳纳米管、金属粉，混合均匀后，再投入陶瓷粉继续混合至均匀；
[0018]3)从混合均匀的粉料中取适量放入圆片状成型模具中，并通过常温冷压成型方式压制成生坯；
[0019]4)将冷压成型的生坯放入烧结炉中，在惰性保护气氛下进行烧结，烧结过程中，在垂直方向持续施加压力，并保持到烧结后冷却结束；
[0020]5)烧结完成后材料在保护气氛和持续压力作用下随炉自然冷却，烧结炉温度降至100°C以下后，开炉，卸压，取料。
[0021]本发明提供的耐磨复合材料，通过以金属粉末为基体;配方中陶瓷粉作为耐磨填充材料，用于提高金属基体的摩擦系数;纳米碳主要用于提高复合材料的导热性能、强度、韧性及耐磨性能。
[0022]本发明在金属与陶瓷复合的基体材料中引入碳纳米管，在基体中形成三维导热网络结构。在复合材料的成型过程中，一方面，碳纳米管可提高复合材料整体温度的均匀性，减少成型过程产生的残余应力，降低残余应力对材料屈服极限、疲劳寿命、抗变形性能等方面的影响，延长使用寿命；另一方面，碳纳米管对于金属的变形可起到钉扎位错的作用，同时碳纳米管表面大量的结构缺陷可作为晶核存在，从而阻止在烧结过程形成大尺寸晶粒，即通过晶粒细化作用，提高基体材料的强度、韧性、耐磨性等性能。
[0023]在复合材料的使用过程中，碳纳米管可提尚材料导热性能，有效提尚耐磨材料的整体温度均匀性，并降低其表面温度，达到升热、不升温的效果。从而使耐磨材料在各种使用环境，尤其在重载、高速、长时间制动时，仍能输出稳定的摩擦系数，同时降低磨损，延长使用寿命。
【附图说明】
[0024]图1为本发明实施例1制备碳纳米管增强铜基耐磨材料所用的多壁碳纳米管
[0025]图2为本发明实施例1制备碳纳米管增强铜基耐磨材料的原料混合效果
[0026]图3为本发明实施例1制备碳纳米管增强铜基耐磨材料的碳纳米管CNT含量与材料摩擦系数、磨损率、硬度的关系。
【具体实施方式】
[0027]以下结合附图描述本发明【具体实施方式】。
[0028]实施例1
[0029]本实施例中涉及的纳米碳增强的耐磨复合材料，其成分包括:铜基体，粒径为5?10微米；陶瓷粉为碳化娃和二硫化钼，粒径为300纳米为到3微米；纳米碳选择多壁碳纳米管，其外径为50?80纳米，长度为3?5微米。复合材料配方按重量比计，包括铜粉75%、碳化硅10%、二硫化钼12%、碳纳米管3%。为对比CNT应用效果，本实施例用相同重量的1000目片状石墨粉(粒径约13um)，替代碳纳米管，在相同条件下制备对比样品。具体制备方法如下:
[0030]1)将碳纳米管、碳化硅、二硫化钼等组分的粉料在85°C烘干，待用；
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