本发明涉及一种纤维/铜复合材料的制备方法，特别是一种1mm短碳纤维增强cu基体复合材料的制备方法。
背景技术：
铜具有优良的导电、导热性，但是纯铜的强度较低。而碳纤维具有高的比模量、比强度以及良好的自润滑性。短碳纤维增强铜基复合材料呈现出良好的导电、导热性、优异的力学性能、耐磨性、耐高温性、耐电弧烧蚀性以及良好的自润滑性等一系列优点，现作为一种金属基复合材料已被广泛应用于机械制造、航空航天等领域。
由于这类材料可设计性好,可以通过控制碳纤维种类、含量及分布来获得不同的性能指标。c/cu复合材料不仅导电性及导热性与纯铜相近，而且具有良好的抗电弧侵蚀和抗磨损能力等优点，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，是一种具有广泛应用前景的新型材料。与长纤维相比,短碳纤维/铜复合材料在制造上具有成型简单,零件设计灵活,适用于工业化生产等优点。
目前大多数人采用机械球磨混合使得纤维收到损伤较大，而用电动搅拌的方式容易聚团，不易分散；此外对纤维进行化学镀铜或钛过程，产生较多废弃化学药剂，污染环境；传统的热压烧结对温度要求较高，而且时间周期长。
对于直接添加少量ti粉润湿c/cu界面，然后采用放电等离子低温快速烧结制备短碳纤维/铜基复合材料，这种方式在现有资料中还未见报道。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术之不足，用安全高效的方式能够均匀混合物料、并且快速烧结、能耗低，所得产品性能优良的短碳纤维/铜复合材料的制备方法。
本发明一种短碳纤维/铜复合材料的制备方法，其方案为：将混合均匀的铜源、钛源和短碳纤维混合均匀后，采用放电等离子烧结，得到短碳纤维/铜复合材料；烧结参数为温度790～880℃、优选为830～860℃、进一步优选为845～860℃、更进一步优选为850℃，保温时间10～30min，烧结压力为5～25mpa；所述铜源中铜为零价；所述钛源中钛为零价。
本发明一种短碳纤维/铜复合材料的制备方法，所述铜源为铜粉和/或铜钛合金粉；所述钛源为钛粉和/或铜钛合金粉。
本发明一种短碳纤维/铜复合材料的制备方法，所述短碳纤维的长度小于等于1mm。
本发明一种短碳纤维/铜复合材料的制备方法，所述短碳纤维的直径为6-10μm、优选为6.5～7.5μm、进一步优选为7μm。
作为优选方案，本发明一种短碳纤维/铜复合材料的制备方法，包括下述步骤：
步骤一
将长碳纤维切成短碳纤维后，放入真空高温炉，在1000～1200℃，保温0～2h；随炉冷却至室温，得到备用短碳纤维；
步骤二
将用湿法球磨制得的cu/ti粉末在真空条件下烘干，得到备用cu/ti粉末；所述备用cu/ti粉末中，cu与ti的质量比为90～80:10～20；按设计的组分将备用cu/ti粉末与备用短碳纤维在v型搅拌器进行混合；得到短碳纤维和金属粉末混合均匀的复合粉体；所述复合粉体中cu、ti、短碳纤维的质量比为cu：ti：短碳纤维＝43.2～49.5:10.8～9:1.5～6；
步骤三
将步骤二所得复合粉体装入模具，采用放电等离子烧结，得到短碳纤维/铜复合材料；烧结参数为温度790℃～880℃、优选为830～860℃、进一步优选为845～860℃、更进一步优选为850℃，保温时间10～30min，烧结压力为5～25mpa。
作为优选方案，本发明一种短碳纤维/铜复合材料的制备方法，步骤一中所述短碳纤维的直径为7μm、长度为1mm。所用长碳纤维的密度为1.76g/cm3。
作为优选方案，本发明一种短碳纤维/铜复合材料的制备方法，步骤一中，真空高温炉烧结参数为，温度1200℃，真空环境保温2h，炉内气压小于等于100pa。
作为优选方案，本发明一种短碳纤维/铜复合材料的制备方法，步骤二中，
铜粉的粒度小于等于50微米，松装密度密度为2.8～3g/cm3，钛粉的粒度小于等于74微米，松装密度为1.2～1.6g/cm3；所述球磨时间为4～8h，球：料：酒精的质量比为4～6:0.5～1:0.3～0.5，湿法球磨的转速为0～300转/min；
作为优选方案，本发明一种短碳纤维/铜复合材料的制备方法，步骤二中，按设计的组分将备用cu/ti粉末与备用短碳纤维在v型搅拌器进行混合；得到短碳纤维和金属粉末混合均匀的复合粉体；混合时，控制v型混料速度为0～90r/min、优选为90r/min，时间为0～10h、优选为5h。
作为优选方案，本发明一种短碳纤维/铜复合材料的制备方法，步骤三中，放电等离子烧结工艺为：先用罗茨泵抽真空，真空度为0.05mbar，然后以30mpa压力对装有复合粉体的模具进行预压20min，再以50～100℃/min的速度升温至790～850℃、压力为5～25mpa，保温时间为10～30min；烧结结束后，冷却至室温。
本发明一种短碳纤维/铜复合材料的制备方法，所制备的短碳纤维/铜复合材料的致密度大于等于84.14％，电阻率小于等于0.66μω·m，抗弯强度大于或等于241.84mpa。
作为更进一步的优选方案，本发明一种短碳纤维/铜复合材料的制备方法，其制备方法包括下述步骤
步骤一
将长碳纤维切成短碳纤维后，放入真空高温炉，在1200℃，保温2h，随炉冷却至室温，得到备用短碳纤维；
步骤二
以粒度小于等于、优选为等于50微米铜粉、粒度小于等于优选等于74微米的钛粉为原料；按球：料：酒精的质量比为2:1:0.3；将磨球、原料以及酒精加入球磨机中进行球磨；所述球磨的转速为300转/min、球磨时间为8h；得到cu/ti粉末；将所得cu/ti粉末在真空条件下烘干，得到备用cu/ti粉末；在真空条件下烘干时，控制设备内的气压小于等于0.09mpa、控制温度为50℃；所述铜粉与钛粉的质量比为5:1；
按设计的组分将备用cu/ti粉末与备用短碳纤维在v型搅拌器进行混合；得到短碳纤维和金属粉末混合均匀的复合粉体；所述复合粉体中ti的质量百分含量为9％、短碳纤维的质量百分含量为3％；
步骤三
将步骤二所得复合粉体装入模具，采用放电等离子烧结，得到短碳纤维/铜复合材料；烧结参数为温度为850℃，保温时间10～30min，烧结压力为5～25mpa；所述短碳纤维/铜复合材料的致密度大于等于99.32％、电阻率为0.3～0.66μω·m、抗弯强度为550～806mpa。
优点及积极效果
本发明由于采用上述工艺方法，因而，具有如下优点和积极效果：
1、作为优选方案，本发明采用短碳纤维的直径为7μm、长度为1mm，可以较好的起到对金属基体的增韧效果。相对于长短不一的碳纤维，更容易发生缠结和团聚，会在混料和烧结时，带来大量的空洞和间隙，导致和金属粉末的不充分接触，进一步影响致密化进程以及其他性能。这也是本发明要先定限定短碳纤维尺寸的重要原因之一。
2、本发明采用球磨混合金属粉料制备cu/ti粉末，然后在采用v型混料机，在特定转速下混合短碳纤维和金属粉末，能够较好的将两种密度差别较大的材料混合均匀，相对于球磨混合，不会发生团聚现象，并且对纤维的损伤几乎很少。
3、直接采用添加ti粉的方式来改善或润湿c/cu界面，这可以避免污染环境，而且操作简单。同时本发明还能避免采用物理镀ti时，短碳纤维难以电镀均匀且操作复杂，长纤维电镀再剪短，纤维两端又不能覆盖完全的不足。
4、相对于传统热压烧结方式，放电等里烧结可以将烧结温度从1100℃及以上降低到790℃～880℃，烧结时间从12h以上减少至不到1h，极大的减少了能源浪费，节省了时间成本。同时，采用本发明更进一步的优选方案时，其所得产品取得了意想不到的效果。尤其是采用最佳方案时，其所得产品的性能大大超出了预计。其最佳方案所得成品的致密度达到99.37％、电导率为0.32μω·m、抗弯强度达到806mpa。
综上所述，本发明通过添加适量ti粉，采用合适的混料方法使得纤维均匀分布在金属粉末中，通过放电等离子烧结，能够在890℃以下，快速制备得到具有良好导电性和力学性能的短碳纤维/铜复合材料。
附图说明
附图1为本发明短碳纤维/铜复合材料的优选制备工艺流程图。
具体实施方式
实施例1：
(1)将直径为7μm、长度为1mm的短碳纤维，放入真空高温炉，温度1200℃，真空环境保温2h。
(2)在用湿法球磨cu/ti粉末，磨时间为8h，球料酒精比为2:1:0.3；真空烘干后，与1mm短碳纤维一起采用v型搅拌器进行混合，v型混料速度90r/min，搅拌5h；得到短碳纤维和金属粉末混合均匀的复合粉体，含ti质量分数为9％，含短碳纤维质量分数为3％的，余量为铜。
(3)放电等离子烧结过程中，先用罗茨泵抽真空，真空度为0.05mbar，然后以30mpa压力进行预压20min，再以100℃/min的速度升温至790℃、压力为5mpa，保温时间为10min；烧结结束后，冷却循环水冷却至常温。制备得到短碳纤维/铜复合材料。
本实施例通过直接添加ti元素来润湿c/cu界面，采用v型搅拌器均匀混料，通过放电等离子烧结，实现快速烧结，制备得到具有良好性能的短碳纤维/铜复合材料。其致密度为84.14％，电阻率为0.66μω·m，抗弯强度为241.84mpa。
实施例2：
(1)将直径为7μm、长度为1mm的短碳纤维，放入真空高温炉，温度1200℃，真空环境保温2h。
(2)在用湿法球磨cu/ti粉末，磨时间为8h，球料酒精比为2:1:0.3；真空烘干后，与1mm短碳纤维一起采用v型搅拌器进行混合，v型混料速度90r/min，搅拌5h；得到短碳纤维和金属粉末混合均匀的复合粉体，含ti质量分数为9％，含短碳纤维质量分数为3％的，余量为铜。
(3)放电等离子烧结过程中，先用罗茨泵抽真空，真空度为0.05mbar，然后以30mpa压力进行预压20min，再以100℃/min的速度升温至820℃、压力为5mpa，保温时间为10min；烧结结束后，冷却循环水冷却至常温。制备得到短碳纤维/铜复合材料。
本实施例通过直接添加ti元素来润湿c/cu界面，采用v型搅拌器均匀混料，通过放电等离子烧结，实现快速烧结，制备得到具有良好性能的短碳纤维/铜复合材料。其致密度为89.59％，电阻率为0.51μω·m，抗弯强度为321.52mpa。
实施例3：
(1)将直径为7μm、长度为1mm的短碳纤维，放入真空高温炉，温度1200℃，真空环境保温2h。
(2)在用湿法球磨cu/ti粉末，磨时间为8h，球料酒精比为2:1:0.3；真空烘干后，与1mm短碳纤维一起采用v型搅拌器进行混合，v型混料速度90r/min，搅拌5h；得到短碳纤维和金属粉末混合均匀的复合粉体，含ti质量分数为9％，含短碳纤维质量分数为3％的，余量为铜。
(3)放电等离子烧结过程中，先用罗茨泵抽真空，真空度为0.05mbar，然后以30mpa压力进行预压20min，再以100℃/min的速度升温至850℃、压力为5mpa，保温时间为10min；烧结结束后，冷却循环水冷却至常温。制备得到短碳纤维/铜复合材料。
本实施例通过直接添加ti元素来润湿c/cu界面，采用v型搅拌器均匀混料，通过放电等离子烧结，实现快速烧结，制备得到具有良好性能的短碳纤维/铜复合材料。其致密度为99.37％，电阻率为0.32μω·m，抗弯强度为806mpa。
实施例4：
(1)将直径为7μm、长度为1mm的短碳纤维，放入真空高温炉，温度1200℃，真空环境保温2h。
(2)在用湿法球磨cu/ti粉末，磨时间为8h，球料酒精比为2:1:0.3；真空烘干后，与1mm短碳纤维一起采用v型搅拌器进行混合，v型混料速度90r/min，搅拌5h；得到短碳纤维和金属粉末混合均匀的复合粉体，含ti质量分数为9％，含短碳纤维质量分数为3％的，余量为铜。
(3)放电等离子烧结过程中，先用罗茨泵抽真空，真空度为0.05mbar，然后以30mpa压力进行预压20min，再以100℃/min的速度升温至880℃、压力为5mpa，保温时间为10min；烧结结束后，冷却循环水冷却至常温。制备得到短碳纤维/铜复合材料。
本实施例通过直接添加ti元素来润湿c/cu界面，采用v型搅拌器均匀混料，通过放电等离子烧结，实现快速烧结，制备得到具有良好性能的短碳纤维/铜复合材料。其致密度为86.41％，电阻率为0.44μω·m，抗弯强度为392.74mpa。
实施例5：
(1)将直径为7μm、长度为1mm的短碳纤维，放入真空高温炉，温度1200℃，真空环境保温2h。
(2)在用湿法球磨cu/ti粉末，磨时间为8h，球料酒精比为2:1:0.3；真空烘干后，与1mm短碳纤维一起采用v型搅拌器进行混合，v型混料速度90r/min，搅拌5h；得到短碳纤维和金属粉末混合均匀的复合粉体，含ti质量分数为9％，含短碳纤维质量分数为3％的，余量为铜。
(3)放电等离子烧结过程中，先用罗茨泵抽真空，真空度为0.05mbar，然后以30mpa压力进行预压20min，再以100℃/min的速度升温至850℃、压力为25mpa，保温时间为10min；烧结结束后，冷却循环水冷却至常温。制备得到短碳纤维/铜复合材料。
本实施例通过直接添加ti元素来润湿c/cu界面，采用v型搅拌器均匀混料，通过放电等离子烧结，实现快速烧结，制备得到具有良好性能的短碳纤维/铜复合材料。其致密度为99.75％，电阻率为0.32μω·m，抗弯强度为651.18mpa。
实施例6：
(1)将直径为7μm、长度为1mm的短碳纤维，放入真空高温炉，温度1200℃，真空环境保温2h。
(2)在用湿法球磨cu/ti粉末，磨时间为8h，球料酒精比为2:1:0.3；真空烘干后，与1mm短碳纤维一起采用v型搅拌器进行混合，v型混料速度50r/min，搅拌5h；得到短碳纤维和金属粉末混合均匀的复合粉体，含ti质量分数为9％，含短碳纤维质量分数为3％的，余量为铜。
(3)放电等离子烧结过程中，先用罗茨泵抽真空，真空度为0.05mbar，然后以30mpa压力进行预压20min，再以100℃/min的速度升温至850℃、压力为5mpa，保温时间为15min；烧结结束后，冷却循环水冷却至常温。制备得到短碳纤维/铜复合材料。
本实施例通过直接添加ti元素来润湿c/cu界面，采用v型搅拌器均匀混料，通过放电等离子烧结，实现快速烧结，制备得到具有良好性能的短碳纤维/铜复合材料。其致密度为99.32％，电阻率为0.24μω·m，抗弯强度为550.37mpa。
对比例1
(1)将直径为7μm、长度为5mm的短碳纤维，放入真空高温炉，温度1200℃，真空环境保温2h。
(2)在用湿法球磨cu/ti粉末，磨时间为8h，球料酒精比为2:1:0.3；真空烘干后，与5mm短碳纤维一起采用v型搅拌器进行混合，v型混料速度90r/min，搅拌5h；得到短碳纤维和金属粉末混合均匀的复合粉体，含ti质量分数为9％，含短碳纤维质量分数为3％的，余量为铜。
(3)放电等离子烧结过程中，先用罗茨泵抽真空，真空度为0.05mbar，然后以30mpa压力进行预压20min，再以100℃/min的速度升温至850℃、压力为5mpa，保温时间为10min；烧结结束后，冷却循环水冷却至常温。制备得到短碳纤维/铜复合材料。
本实施例通过直接添加ti元素来润湿c/cu界面，采用v型搅拌器均匀混料，通过放电等离子烧结，实现快速烧结，制备得到具有良好性能的短碳纤维/铜复合材料。其致密度为80.51％，电阻率为0.58μω·m，抗弯强度为274mpa。
对比例2
(1)将直径为7μm、长度为1mm的短碳纤维，放入真空高温炉，温度1200℃，真空环境保温2h。
(2)在用湿法球磨cu/ti粉末，磨时间为8h，球料酒精比为2:1:0.3；真空烘干后，与1mm短碳纤维一起采用v型搅拌器进行混合，v型混料速度90r/min，搅拌5h；得到短碳纤维和金属粉末混合均匀的复合粉体，含ti质量分数为9％，含短碳纤维质量分数为10％的，余量为铜。
(3)放电等离子烧结过程中，先用罗茨泵抽真空，真空度为0.05mbar，然后以30mpa压力进行预压20min，再以100℃/min的速度升温至850℃、压力为5mpa，保温时间为10min；烧结结束后，冷却循环水冷却至常温。制备得到短碳纤维/铜复合材料。
本实施例通过直接添加ti元素来润湿c/cu界面，采用v型搅拌器均匀混料，通过放电等离子烧结，实现快速烧结，制备得到具有良好性能的短碳纤维/铜复合材料。其致密度为78.44％，电阻率为0.92μω·m，抗弯强度为132mpa。