一种高冲击韧性碳-铜复合材料的制备工艺的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种高冲击韧性碳-铜复合材料的制备工艺，将石墨粉、酚醛树脂、碳纤维、铜纤维以及其它润滑组分按比例进行称重，并加入酒精混合；出锅晾干酒精溶剂，然后打粉，得到胶质石墨粉；将胶质石墨粉造粒并放入双锥混料机中，得到具有毛刺化结构的粒化石墨颗粒；将毛刺化后的粒化石墨颗粒、铜粉按最终产品中各组分比例要求进行称重，并加入脱模剂混合1-3小时，得到压粉；最后压制成型，再经过烧结即可。本发明可以显著增加石墨颗粒表面的粗糙度，使铜碳界面互锁作用增强，从而提高铜碳界面结合力，最终提高铜碳复合材料的冲击韧性。
【专利说明】一种高冲击韧性碳-铜复合材料的制备工艺
【技术领域】
[0001] 本发明涉及复合材料的制备，具体指一种高冲击韧性碳-铜复合材料的制备工 艺，本复合材料主要用于电力机车受电弓滑板，属于复合材料【技术领域】。
[0002]
【背景技术】
[0003] 铜/石墨复合材料既具有铜的商电导率、商强度和良好的延展性，又具有石墨的 良好润滑性、耐蚀性、低膨胀系数及比重小的特点，因而具有良好的导电、导热、耐磨、耐电 弧烧蚀和抗熔焊等性能，广泛应用于各种电焊电极、电器工程开关的触头、发电机的集电 环、电机电刷和电力机车受电弓滑板。
[0004] 在采用粉末冶金法制备铜/石墨材料时，对石墨制粒，可以有效降低石墨对铜基 体的隔断效应，增强复合材料的强度和冲击韧性，降低电阻率。造粒就是将细粉末状固体团 聚在一起。采用造粒技术制备摩擦材料，还可以减少环境污染，减少对研发人员和工人的人 身伤害，而且运输便利、增加制备材料的空隙、降低制动时产生的噪音和减少摩擦块对偶件 磨损等优点。造粒技术适合应用于摩擦材料制备。
[0005] 碳-铜复合材料受电弓滑板是以铜为基体、将石墨和碳纤维均匀地分布在基体 中，采用冷压成型后烧结制备而成。该材料具良好的导电性能和力学性能。杨连威等以78% 铜，2%碳纤维，15%石墨，添加剂含量5%，在压力为200MPa和烧结温度880°C条件下制备了 碳-金属复合滑板。该滑板电阻率较低、耐磨损及冲击韧性较高。但是该滑板的传统制备工 艺是将铜粉与其他组分机械共混，经粉末冶金方法制备而成，即使在1285°C的高温下，铜与 碳纤维、石墨也不浸润或者发生化学反应，界面结合方式为机械互锁，结合强度低，承受较 大外力时，界面容易破坏，纤维较易拔出、脱落。以受电弓滑板为例，受电弓滑板经过接触网 上"硬点"时，例如在电分相装置、分段绝缘器及接触导线硬弯处，会产生阶跃式冲击。电力 机车运行速度越高，弓网受到的振动和冲击载荷也越强。由于铜石墨界面结合力较弱，疲劳 应力强度较低，当弓网振动载荷超过其疲劳应力强度时，造成石墨或碳纤维的脱落或拔出。 甚至超过其抗冲击韧性，直接使石墨颗粒产生碎裂脱落。从而导致弓网接触界面润滑失效， 加剧受电弓和导线的磨损。因此，需要对铜碳复合材料界面进行改性。
[0006]
【发明内容】
[0007] 针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种可大大增强铜碳界面结 合力的高冲击韧性碳-铜复合材料的制备工艺。
[0008] 本发明的技术方案是这样实现的： 一种高冲击韧性碳-铜复合材料的制备工艺，步骤如下， 1)碳纤维表面处理 采用碳纤维为原料，先采用酒精进行预清洗，清除碳纤维表面的有机膜；再采用硝酸溶 液对碳纤维进行粗化，最后经水洗和干燥后，得到待用的碳纤维； 2)混捏 将石墨粉、酚醛树脂、碳纤维、铜纤维以及其它润滑组分按比例进行称重，并加入适量 酒精溶剂，混合1-3小时；出锅，晾干酒精溶剂，然后打粉，过70目筛，得到胶质石墨粉；其 它润滑组分为二硫化钨或二硫化钥。
[0009] 3)粒化 将胶质石墨粉造粒，经过干燥筛分后，选取20-120目粒化石墨颗粒； 4) 毛刺化 将粒化石墨颗粒放入带有可调速铰刀的双锥混料机中，粒化石墨颗粒经过铰刀和相互 间的滚动冲击，磨剥掉粒化石墨颗粒表层的石墨，然后筛分去除磨剥下来的细粉，得到具有 毛刺化结构的粒化石墨颗粒； 5) 混合 将毛刺化后的粒化石墨颗粒、铜粉按最终产品中各组分比例要求进行称重，并加入适 量硬脂酸锌脱模剂，在双锥混料机中，混合1-3小时，得到压粉； 6) 成型和烧结 根据产品尺寸要求，对压粉压制成型，再经过烧结工艺即得到高冲击韧性铜-碳复合 材料。
[0010] 第2)步混捏中，酚醛树脂为石墨粉重量的15-30%，碳纤维为石墨粉重量的2-10%， 铜纤维为石墨粉重量的1-5% ;其它润滑组分为石墨粉重量的2-5%。
[0011] 第1)步对碳纤维进行粗化的硝酸溶液为50%的浓硝酸。
[0012] 本发明通过特定工艺得到具有刺猬结构的石墨颗粒，该颗粒再与铜粉混合、压制 和烧结，即可得到具有碳纤维和铜纤维连接铜碳界面的界面结合层，该结构可以显著增加 石墨颗粒表面的粗糙度，使铜碳界面互锁作用增强，从而提高铜碳界面结合力，最终提高 铜碳复合材料的冲击韧性。
[0013]
【具体实施方式】
[0014] 复合材料界面效应是任何一种单一材料所没有的特性，它对复合材料具有重要的 作用。界面效应既与界面结合状态、形态和物理化学性质有关，也与复合材料各组分的浸润 性、相溶性、扩散性等密切相关。铜和碳之间浸润性较差，不发生化学反应，纯粹靠机械连 接，其连接表面越粗糙，互锁作用越强，机械粘结作用越有效。本发明为了增强铜碳界面结 合力，设计了以碳纤维和铜纤维连接铜碳界面的界面结合层。关键工艺是先将混合均匀的 酚醛树脂胶质石墨粉、短切碳纤维和铜纤维在造粒机(可以是干法滚压造粒，也可以是湿法 造粒)中粒化为20-120目的颗粒，然后在带有可调速绞刀的双维混料机中，粒化石墨颗粒经 过铰刀和相互间的滚动冲击，磨剥掉粒化石墨颗粒表层的石墨组分，使粒化石墨颗粒中的 碳纤维和铜纤维露出小半截，筛分去除磨剥下来的细粉磨，即得到具有刺猬结构的石墨颗 粒。该颗粒再与铜粉混合、压制和烧结，即可得到具有碳纤维和铜纤维连接铜碳界面的界面 结合层，该结构可以显著增加石墨颗粒表面的粗糙度，使铜碳界面互锁作用增强，从而提 高铜碳界面结合力，最终提高铜碳复合材料的冲击韧性。
[0015] 本发明具体制备工艺如下： 1)碳纤维表面处理 去胶处理。由于未经表面处理的碳纤维表面有集束剂，集束剂使得碳纤维的分散性能 比较差，而且表面光滑，使得碳纤维与基体的浸润性能比较差，与基体的结合强度比较低。 因此，需要对碳纤维的表面进行去除集束剂处理。集束剂的主要成分为有机物，结合有机物 之间的相似相容原理，采用酒精进行预清洗。其作用是清除碳纤维表面的有机膜，提高碳纤 维表面的粗糙度，增加碳纤维与基体的结合性能。
[0016] 粗化处理。粗化是指使碳纤维在微观状态下其表面具有一定的粗糙度，以大幅度 改善碳纤维与基体的浸润性，提高碳纤维与基体的结合强度。粗化原理：强氧化性溶液可以 氧化碳纤维表面，能够形成微观高低不平的碳纤维表面。这些都大大改善了碳纤维的浸润 性和在基体中的分散性，使其与基体具有较高的粘结强度，碳纤维表面越粗糙，与基体粘结 强度越高。本发明采用50%浓硝酸溶液对碳纤维进行粗化，粗化时间为36小时，流水冲洗 后进行烘干，得到待用的碳纤维。
[0017] 2)混捏 将石墨粉，酚醛树脂(石墨粉重量的15-30%)、第1)步处理得到的碳纤维(石墨粉重量 的2-10%)、铜纤维(石墨粉重量的1-5%)以及其它润滑组分(如二硫化钨或二硫化钥，石墨 粉重量的2-5%)按比例进行称重，并加入适量酒精溶剂，在双Z型混料机中，混合1-3小时； 出锅，晾干酒精溶剂，然后打粉，过70目筛，得到胶质石墨粉。
[0018] 3)粒化 将胶质石墨粉在干法或湿法造粒机中造粒，经过干燥筛分后，选取20-120目粒化石墨 颗粒。
[0019] 4)毛刺化 然后将粒化石墨颗粒放入带有可调速铰刀的双锥混料机中，石墨颗粒经过铰刀和相互 间的滚动冲击，磨剥掉粒化石墨颗粒表层的石墨，使粒化石墨颗粒中的碳纤维和铜纤维露 出小半截，筛分去除磨剥下来的细粉，可以得到具有毛刺化结构的粒化石墨颗粒。为了得到 具有毛刺化结构的粒化石墨颗粒，实际操作时一般通过双锥混料机混料时间控制，时间一 般为2-4小时。当然也可以结合绞刀转速、压力共同控制。
[0020] 5)混合 将毛刺化后的粒化石墨颗粒、（电解）铜粉按比例(铜-碳复合材料用途不同，铜含量也 不同，其具体比例可根据不同产品技术要求定）进行称重，并加入适量硬脂酸锌脱模剂，在 双锥混料机中，混合1-3小时，得到压粉。由于电解铜粉压制生坯强度较高，所以一般采用 电解铜粉，海绵铜粉，球化铜粉也可以，不做特殊要求。
[0021] 6)成型和烧结 先根据产品尺寸要求，压制成型。再经过烧结后，即得到高冲击韧性铜-碳复合材料。
[0022] 本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施 方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不 同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案 所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
【权利要求】
1. 一种高冲击韧性碳-铜复合材料的制备工艺，其特征在于，步骤如下， 1) 碳纤维表面处理 采用碳纤维为原料，先采用酒精进行预清洗，清除碳纤维表面的有机膜；再采用硝酸溶 液对碳纤维进行粗化，最后经水洗和干燥后，得到待用的碳纤维； 2) 混捏 将石墨粉、酚醛树脂、碳纤维、铜纤维以及其它润滑组分按比例进行称重，并加入适量 酒精溶剂，混合1-3小时；出锅，晾干酒精溶剂，然后打粉，过70目筛，得到胶质石墨粉； 3) 粒化 将胶质石墨粉造粒，经过干燥筛分后，选取20-120目粒化石墨颗粒； 4) 毛刺化 将粒化石墨颗粒放入带有可调速铰刀的双锥混料机中，粒化石墨颗粒经过铰刀和相互 间的滚动冲击，磨剥掉粒化石墨颗粒表层的石墨，然后筛分去除磨剥下来的细粉，得到具有 毛刺化结构的粒化石墨颗粒； 5 )混合 将毛刺化后的粒化石墨颗粒、铜粉按最终产品中各组分比例要求进行称重，并加入适 量硬脂酸锌脱模剂，在双锥混料机中，混合1-3小时，得到压粉； 6)成型和烧结 根据产品尺寸要求，对压粉压制成型，再经过烧结工艺即得到高冲击韧性铜-碳复合 材料。
2. 根据权利要求1所述的高冲击韧性碳-铜复合材料的制备工艺，其特征在于：第2) 步混捏中，酚醛树脂为石墨粉重量的15-30%，碳纤维为石墨粉重量的2-10%，铜纤维为石墨 粉重量的1-5% ;其它润滑组分为石墨粉重量的2-5%。
3. 根据权利要求1所述的高冲击韧性碳-铜复合材料的制备工艺，其特征在于：其它 润滑组分为二硫化钨或二硫化钥。
4. 根据权利要求1所述的高冲击韧性碳-铜复合材料的制备工艺，其特征在于：第1) 步对碳纤维进行粗化的硝酸溶液为50%的浓硝酸。
【文档编号】C22C101/10GK104195477SQ201410463634
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月12日 优先权日:2014年9月12日
【发明者】李春林, 李静雯, 陈建, 赵勇, 刘成东 申请人:四川理工学院, 自贡恒基电碳厂