铜碳复合材料及其制备方法和装置与流程

本发明涉及材料制备的技术领域，尤其是涉及一种铜碳复合材料及其制备方法和装置。

背景技术：

随着复合材料的快速发展，复合材料以其优越的性能被各个领域广泛的使用。例如，碳/铜复合材料就以其优越的导电、导热、减摩擦、抗磨损性能而被广泛地运用，其中，受电弓滑板就应用了碳/铜复合材料。受电弓滑板是电力机车十分重要的集电元件，随着我国电力机车高速化的不断发展，受电弓滑板对滑板材料的要求不断地提高，现有的滑板已不能满足电力机车对滑板的要求。现有的滑板通常有纯碳滑板、粉末冶金滑板、浸金属碳滑板以及碳纤维复合材料滑板。

其中，浸金属碳滑板是将普通碳滑板在高温高压下浸渍液态金属而成。这就使得液态金属渗入到碳材料的孔隙中，然后，在碳基体中形成细密的金属网状结构，从而减小接触电阻，以提高滑板强度，并使碳基体增强润滑性，延长接触网导线的使用寿命。

但是，在制作浸金属碳滑板的工艺中，首先使用石墨及碳材料混料成型烧结，然后，在高温高压下浸金属液体。由于该工艺生产工艺复杂，烧结后的碳材料中经常出现洞孔分布不均匀的现象，进而使得金属液无法均匀地浸入洞孔，造成其产品质量和技术指标表里不一，并且在使用时可靠性差。

除了上述列举的几种滑板之外，现有技术中还提出了另一种铜碳受电弓复合材料的制备方法，该方法首先利用固气共晶定向凝固法方法制备规则式多孔铜合金或多孔纯铜,使其作为铜碳复合材料的基体骨架石墨粉与粘接剂混合均匀后在压力作用下均匀压入铜基规则孔内部,烧结后形成自润滑式铜碳型受电弓复合材料。

但是，该方法存在两个致命缺陷：1)用固气共晶定向凝固法又称为Gasar工艺，制作的放射状的泡沫铜孔径大小不一，从外到里气孔孔径逐渐增大，孔密度减小造成铜碳复合材料组织结构不均匀，综合机械性能差；2)用有机树脂作为结合剂，树脂存在于组织结构中，当滑板和接触线网产生电弧时，高温使树脂软化炭化，磨损急及增大，滑板失效造成行车事故。

针对现有技术中制备的铜碳复合材料的机械性差而导致的可靠性较差的技术问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种铜碳复合材料及其制备方法和装置，以缓解由于现有技术中制备的铜碳复合材料的机械性差而导致的可靠性较差的技术问题。

本发明实施例的一个方面，提供了一种铜碳复合材料的制备方法，包括：通过电沉积设备制备三维网状结构的多孔铜材料，其中，所述三维网状结构的多孔铜材料中包括多个孔，并且多个孔中任意两个孔的直径误差小于预设差值；在目标粉末中加入树脂材料，得到目标膏状物，其中，所述目标粉末中包含至少一种粉末；将所述目标膏状物在真空状态下注入至所述三维网状结构的多孔铜材料中，得到初始铜碳复合材料，并对所述初始铜碳复合材料进行固化处理；将固化处理之后的所述初始铜碳复合材料依次进行碳化、浸渍和复烧处理之后，得到目标铜碳复合材料。

进一步地，所述目标粉末包含以下至少之一：石墨粉、二硅化钼粉、锡粉、铅粉、石墨烯、短切碳纤维；所述树脂材料包括以下任一种：改性环氧树脂、改性酚醛树脂、聚芳基乙炔树脂、呋喃树脂。

进一步地，所述石墨粉包括：天然石墨粉，或者，人造石墨粉，其中，所述石墨粉粒度为0.05～0.001毫米。

进一步地，所述三维网状结构的多孔铜材料的孔隙度为10～40，所述三维网状结构的多孔铜材料的孔隙率为40％～95％，所述三维网状结构的多孔铜材料的孔隙尺寸为0.3～2.0毫米。

进一步地，通过电沉积设备制备三维网状结构的多孔铜材料包括：以聚氨酯海绵为基体，通过铜材料对所述聚氨酯海绵依次进行前处理、化学镀、电沉积、烧结、还原热处理之后，得到所述三维网状结构的多孔铜材料，其中，所述电沉积的时间用于确定所述孔隙度、所述孔隙率、所述孔隙尺寸，所述铜材料包括纯铜材料或者铜合金。

进一步地，将固化处理之后的所述初始铜碳复合材料料依次进行碳化、浸渍和复烧处理之后，得到目标铜碳复合材料包括：将所述初始铜碳复合材料在600～800℃下进行炭化，其中，碳化之后的所述三维网状结构的多孔铜材料中不包含所述树脂材料；将碳化之后的所述初始铜碳复合材料在真空中浸渍树脂；将浸渍树脂之后的所述初始铜碳复合材料进行至少一次复烧，得到所述目标铜碳复合材料，其中，所述复烧的温度区域间为600～800℃。

本发明实施例的另一个方面，还提供了一种铜碳复合材料的制备装置，包括：制备单元，所述制备单元设置于电沉积设备中，用于制备三维网状结构的多孔铜材料，其中，所述三维网状结构的多孔铜材料中包括多个孔，并且多个孔中任意两个孔的直径误差小于预设差值；添加单元，用于在目标粉末中加入树脂材料，得到目标膏状物，其中，所述目标粉末中包含至少一种粉末；注入单元，用于将所述目标膏状物在真空状态下注入至所述三维网状结构的多孔铜材料中，得到初始铜碳复合材料，并对所述初始铜碳复合材料进行固化处理；处理单元，用于将固化处理之后的所述初始铜碳复合材料依次进行碳化、浸渍和复烧处理之后，得到目标铜碳复合材料。

进一步地，所述目标粉末包含以下至少之一：石墨粉、二硅化钼粉、锡粉、铅粉、石墨烯、短切碳纤维；所述树脂材料包括以下任一种：改性环氧树脂、改性酚醛树脂、聚芳基乙炔树脂、呋喃树脂。

进一步地，所述石墨粉包括以下任一种：天然石墨粉，或者，人造石墨粉，其中，所述石墨粉粒度为0.05～0.001毫米。

本发明实施例的另一个方面，还提供了一种铜碳复合材料，其中，该铜碳复合材料采用上述任一项所述的制备方法进行制备。

在本发明实施例中，首先通过电沉积设备制备具有均匀孔径的三维网状结构的多孔铜材料，然后，将目标粉末与树脂材料混合之后得到的膏状物在真空状态下注入至三维网状结构的多孔铜材料中，并对注入膏状物的三维网状结构的多孔铜材料依次进行固化，碳化，浸渍和复烧处理，得到复合铜材料。相对于现有技术中，采用本发明实施例中提供的方法得到的三维网状结构的多孔铜材料中孔洞的尺寸较为均匀，因此，本发明实施例中得到的多孔铜材料组织结构较为均为，机械性能较好，从而达到了提高铜碳复合材料的机械性能的目的，进而以缓解由于现有技术中制备的铜碳复合材料的机械性差而导致的可靠性较差的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的一种铜碳复合材料的制备方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的一种可选的三维网状结构的多孔铜材料的示意图；

图3是根据本发明实施例的一种可选地铜碳复合材料的制备方法的流程图；

图4是根据本发明实施例的一种可选地制备三维网状结构的多孔铜材料的流程图；

图5是根据本发明实施例的一种铜碳复合材料的制备装置的示意图；

图6是根据本发明实施例的一种铜碳复合材料的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

根据本发明实施例，提供了一种铜碳复合材料的制备方法的实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图1是根据本发明实施例的一种铜碳复合材料的制备方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤S102，通过电沉积设备制备三维网状结构的多孔铜材料，其中，三维网状结构的多孔铜材料中包括多个孔，并且多个孔中任意两个孔的直径误差小于预设差值。

在本发明实施例中，通过采用电沉积设备多孔铜材料，其中，制备得到的多孔铜材料为具有三维网状结构的多孔铜材料。在该多孔铜材料中包括多个孔，并且任意两个孔之间的直径差小于一定值(即，上述预设差值)，例如，任意两个孔之间的直径差小于0.1毫米。图2为通过电沉积设备制备的一种三维网状结构的多孔铜材料，从图2中可以看出，通过电沉积设备制备的多孔铜材料铜孔大小均匀，任意两个孔之间的直径差较小。

上述电沉积设备可以为一种采用电沉积技术的设备，具体地，在本发明实施例中不做具体限定。

步骤S104，在目标粉末中加入树脂材料，得到目标膏状物，其中，目标粉末中包含至少一种粉末。

在本发明实施例中，在通过电沉积设备制备三维网状结构的多孔铜材料之后，就可以通过目标粉末和树脂材料制备目标膏状物(下述均简称为膏状物)。然后，执行步骤S106，即将膏状物注入至三维网状结构的多孔铜材料中。

在制备膏状物的过程中，可以首先在多种粉末中选取至少一种粉末，然后，按照一定的配比将至少一种粉末进行混合。可选地，可以将按照一定配比选取的至少一种粉末放入至高速混炼机中进行充分混合。混合均匀后，在混炼机中加入树脂材料和相应地固化剂，进而炼成具有流动性的膏状物，最后，就可以将膏状物通过真空高压注入三维网状结构的多孔铜材料中。

在本发明实施例中，上述目标粉末可以选取为以下至少之一：石墨粉、二硅化钼粉、锡粉、铅粉、石墨烯、短切碳纤维。其中，石墨粉包括以下任一种：天然石墨粉，或者，人造石墨粉，其中，石墨粉粒度为0.05～0.001毫米。需要说明的是，在本发明实施例中，目标粉末优选为上述6中粉末，但是并不限定目标粉末选取为除上述6中粉末之外的其他粉末。

在本发明实施例中，如果选取的粉末为2种，或者2种以上，那么就需要对选取的多种粉末按照一定比例进行配比，其中，进行配比的比例并不固定，主要取决于选取的粉末的种类，种类不同的粉末的配比比例相同或者不相同。

在向混拣机中加入的树脂材料可以选取为以下任一种：改性环氧树脂、改性酚醛树脂、聚芳基乙炔树脂、呋喃树脂。需要说明的是，在加入树脂材料时，同样是按照一定配比加入，当选取的树脂材料不相同时，加入的配比比例可以相同，可以不相同。

步骤S106，将目标膏状物在真空状态下注入至三维网状结构的多孔铜材料中，得到初始铜碳复合材料，并对初始铜碳复合材料进行固化处理。

在本发明实施例中，在获取膏状物之后，将膏状物通过真空高压注入至三维网状结构的多孔铜材料中，得到初始铜碳复合材料，并对初始铜碳复合材料进行固化处理。

步骤S108，将固化处理之后的初始铜碳复合材料依次进行碳化、浸渍和复烧处理之后，得到目标铜碳复合材料。

在本发明实施例中，在将对三维网状结构的多孔铜材料进行进行固化处理之后，就可以对固化之后的三维网状结构的多孔铜材料(即，初始铜碳复合材料)依次进行碳化、浸渍和复烧处理，最终得到目标铜碳复合材料。

需要说明的是，在本发明实施例中，可以进行多次复烧，也就是说，复烧的次数可以为一次，还可以为多次，优选为2-3次。

在本发明实施例中，首先通过电沉积设备制备具有均匀孔径的三维网状结构的多孔铜材料，然后，将目标粉末与树脂材料混合之后得到的膏状物在真空状态下注入至三维网状结构的多孔铜材料中，并对注入膏状物的三维网状结构的多孔铜材料依次进行固化，碳化，浸渍和复烧处理，得到复合铜材料。相对于现有技术中，采用本发明实施例中提供的方法得到的三维网状结构的多孔铜材料中孔洞的尺寸较为均匀，因此，本发明实施例中得到的多孔铜材料组织结构较为均为，机械性能较好，从而达到了提高铜碳复合材料的机械性能的目的，进而以缓解由于现有技术中制备的铜碳复合材料的机械性差而导致的可靠性较差的技术问题。

图3是根据本发明实施例的一种可选地铜碳复合材料的制备方法的流程图，如图3所示，在该方法中，上述步骤S102包括步骤S301：

步骤S301，以聚氨酯海绵为基体，通过铜材料对聚氨酯海绵依次进行前处理、化学镀、电沉积、烧结、还原热处理之后，得到三维网状结构的多孔铜材料，其中，电沉积的时间用于确定孔隙度、孔隙率、孔隙尺寸，铜材料包括纯铜材料或者铜合金。

在本发明实施例中，可以以聚氨酯海绵为基体，然后，通过铜材料对该基体依次进行前处理、化学镀、电沉积、烧结、还原热处理，在经过上述处理之后，得到的三维网状结构的多孔铜材料的孔隙度为10～40％，三维网状结构的多孔铜材料的孔隙率为40％～95％，三维网状结构的多孔铜材料的孔隙尺寸为0.3～2.0毫米，并具有一定的力学性能，在本发明实施例中，铜材料可以是纯铜或铜合金。

进一步地，在本发明实施例中，可以通过调节电沉积步骤的时间来调节孔隙度、孔隙率、孔隙尺寸。

图4是根据本发明实施例的一种可选地制备三维网状结构的多孔铜材料的流程图，如图4所示，在该方法中步骤S108将固化处理之后的所述初始铜碳复合材料依次进行碳化、浸渍和复烧处理之后，得到目标铜碳复合材料包括如下步骤：

步骤S401，将初始铜碳复合材料在600～800℃下进行炭化，其中，碳化之后的三维网状结构的多孔铜材料中不包含树脂材料；

步骤S402，将碳化之后的初始铜碳复合材料在真空中浸渍树脂；

步骤S403，将浸渍树脂之后的初始铜碳复合材料进行至少一次复烧，得到目标铜碳复合材料，其中，复烧的温度区域间为600～800℃。

在本发明实施例中，首先，将固化后的三维网状结构的多孔铜材料(即，初始铜碳复合材料)放入焙烧炉中，并在保护气氛下在600-800℃炭化；然后，将炭化后的初始铜碳复合材料在真空中再次浸渍树脂，并在浸渍树脂之后在600～800℃下进行至少一次复烧，最终，得到耐磨性好，电阻率低的自润滑性好的具有三维铜骨架结构的目标铜碳复合材料。其中，碳化(carbonization)又称干馏、炭化、焦化，是指固体或有机物在隔绝空气条件下加热分解的反应过程或加热固体物质来制取液体或气体产物的一种方式。

需要说明的是，通过上述描述可知，在向多孔铜材料中注入的膏状物中包含树脂材料，那么在执行步骤S401的过程中，主要是对膏状物中的树脂材料进行碳化。树脂材料经过碳化之后，分解得到其他产物，也就是说，碳化之后的初始铜碳复合材料中不再包含树脂材料。如果树脂存在于目标铜碳复合材料的组织结构中，那么当采用该铜碳复合材料的受电弓滑板和接触线网产生电弧时，高温将使树脂软化炭化。树脂碳化的结果为材料的磨损迅速增大，如果将该材料应用在受电弓滑板领域，那么该滑板将会失效从而造成行车事故。然而，在本发明实施例中，膏状物中加入的树脂材料在碳化处理之后，碳化之后的三维网状结构的多孔铜材料中不包含树脂材料，这就避免了由于树脂软化碳化而造成的行车事故的发生。因此，在本发明实施例中，通过树脂材料起到了临时结合剂的作用，进而进一步解决了现有技术中的滑板在高温情况下，树脂材料会软化碳化的问题。

在本发明实施例中，对浸渍之后的初始铜碳复合材料进行至少一次复烧，能够在某种程度上缩小目标铜碳复合材料中孔距，使得最终得到的目标铜碳复合材料为具有微孔结构的复合材料。

综上，本发明实施例首先采用电沉积设备制备的三维铜骨架(即，上述多孔铜材料)，孔径均匀可控，表里如一，结构均匀，具有气孔少，结构致密，耐磨性好，抗电弧烧损性强，大大提高了受电弓滑板的使用寿命；并用树脂做临时结合剂，加入石墨粉、二硅化钼粉、锡粉、铅粉、石墨烯、短切碳纤维等各种粉体，按不同的比例混成膏状物，在真空状态下填充到三维多孔铜骨架内，然后，在常温或加热固化。接下来，将固化后的块状物放入高温炉中炭化得到含有微孔的目标铜碳复合材料，再将此目标铜碳复合材料在真空下浸渍酚醛树脂后在高温下复烧，最终得到耐磨性好，电阻率低的自润滑性好的具有三维铜骨架结构的目标铜碳复合材料。

本发明实施例还提供了一种铜碳复合材料的制备装置，该铜碳复合材料的制备装置主要用于执行本发明实施例上述内容所提供的铜碳复合材料的制备方法，以下对本发明实施例提供的铜碳复合材料的制备装置做具体介绍。

图5是根据本发明实施例的一种铜碳复合材料的制备装置的示意图，如图5所示，该铜碳复合材料的制备装置主要包括：制备单元51、添加单元53、注入单元55和处理单元57，其中：

制备单元51，制备单元设置于电沉积设备中，用于制备三维网状结构的多孔铜材料，其中，三维网状结构的多孔铜材料中包括多个孔，并且多个孔中任意两个孔的直径误差小于预设差值。

在本发明实施例中，通过采用电沉积设备中的制备单元制备多孔铜材料，其中，制备得到的多孔铜材料为具有三维网状结构的多孔铜材料。在该多孔铜材料中包括多个孔，并且任意两个孔之间的直径差小于一定值(即，上述预设差值)，例如，任意两个孔之间的直径差小于0.1毫米。图2为通过电沉积设备制备的一种三维网状结构的多孔铜材料，从图2中可以看出，通过电沉积设备制备的多孔铜材料铜孔均匀。

上述电沉积设备可以为一种采用电沉积技术的设备，具体地，在本发明实施例中不做具体限定。

添加单元53，用于在目标粉末中加入树脂材料，得到目标膏状物，其中，目标粉末中包含至少一种粉末。

在本发明实施例中，在通过电沉积设备制备三维网状结构的多孔铜材料之后，就可以通过目标粉末和树脂材料制备目标膏状物(下述均简称为膏状物)。然后，执行步骤S106，即将膏状物注入至三维网状结构的多孔铜材料中。

在制备膏状物的过程中，可以首先在多种粉末中选取至少一种粉末，然后，按照一定的配比将至少一种粉末进行混合。可选地，可以将按照一定配比选取的至少一种粉末放入至高速混炼机中进行充分混合。混合均匀后，在混炼机中加入树脂材料和相应地固化剂，进而炼成具有流动性的膏状物，最后，就可以将膏状物通过真空高压注入三维网状结构的多孔铜材料中。

注入单元55，用于将目标膏状物在真空状态下注入至三维网状结构的多孔铜材料中，得到初始铜碳复合材料，并对初始铜碳复合材料进行固化处理。

在本发明实施例中，在获取膏状物之后，将膏状物通过真空高压注入至三维网状结构的多孔铜材料中，得到初始铜碳复合材料，并对初始铜碳复合材料进行固化处理。

处理单元57，用于将固化处理之后的初始铜碳复合材料依次进行碳化、浸渍和复烧处理之后，得到目标铜碳复合材料。

在本发明实施例中，在将对三维网状结构的多孔铜材料进行进行固化处理之后，就可以对固化之后的三维网状结构的多孔铜材料(即，初始铜碳复合材料)依次进行碳化、浸渍和复烧处理，最终得到目标铜碳复合材料。

需要说明的是，在本发明实施例中，可以进行多次复烧，也就是说，复烧的次数可以为一次，还可以为多次，优选为2-3次。

在本发明实施例中，首先通过电沉积设备制备具有均匀孔径的三维网状结构的多孔铜材料，然后，将目标粉末与树脂材料混合之后得到的膏状物在真空状态下注入至三维网状结构的多孔铜材料中，并对注入膏状物的三维网状结构的多孔铜材料依次进行固化，碳化，浸渍和复烧处理，得到复合铜材料。相对于现有技术中，采用本发明实施例中提供的方法得到的三维网状结构的多孔铜材料中孔洞的尺寸较为均匀，因此，本发明实施例中得到的多孔铜材料组织结构较为均为，机械性能较好，从而达到了提高铜碳复合材料的机械性能的目的，进而以缓解由于现有技术中制备的铜碳复合材料的机械性差而导致的可靠性较差的技术问题。

可选地，目标粉末包含以下至少之一：石墨粉、二硅化钼粉、锡粉、铅粉、石墨烯、短切碳纤维；树脂材料包括以下任一种：改性环氧树脂、改性酚醛树脂、聚芳基乙炔树脂、呋喃树脂。

可选地，石墨粉包括：天然石墨粉，或者，人造石墨粉，其中，石墨粉粒度为0.05～0.001毫米。

可选地，三维网状结构的多孔铜材料的孔隙度为10～40，三维网状结构的多孔铜材料的孔隙率为40％～95％，三维网状结构的多孔铜材料的孔隙尺寸为0.3～2.0毫米。

可选地，制备单元包括：处理模块，用于以聚氨酯海绵为基体，通过铜材料对聚氨酯海绵依次进行前处理、化学镀、电沉积、烧结、还原热处理之后，得到三维网状结构的多孔铜材料，其中，电沉积的时间用于确定孔隙度、孔隙率、孔隙尺寸，铜材料包括纯铜材料或者铜合金。

可选地，处理单元包括：碳化模块，用于将所述初始铜碳复合材料在600～800℃下进行炭化，其中，碳化之后的所述三维网状结构的多孔铜材料中不包含所述树脂材料；浸渍模块，用于将碳化之后的所述初始铜碳复合材料在真空中浸渍树脂；复烧模块，用于将浸渍树脂之后的所述初始铜碳复合材料进行至少一次复烧，得到目标铜碳复合材料，其中，所述复烧的温度区域间为600～800℃。

本发明实施例还提供了一种铜碳复合材料，采用上述任一项的制备方法进行制备。

在本发明实施例中，可以采用上述步骤S102至步骤S108中所描述的方法制备目标铜碳复合材料，具体地，通过上述方法制备目标铜碳复合材料的具体过程此处不再赘述。通过上述方法制备的目标铜碳复合材料如图6所示，该目标铜碳复合材料耐磨性好，电阻率低，并且自润滑性好。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。