一种石墨-铜层状复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种石墨‑铜层状复合材料，该层状复合材料包括交替排列而成的石墨层和金属铜层；所述金属铜层之间通过贯穿所述石墨层的规则排列的微孔结构连接在一起。同时，本发明专利技术还公开了该石墨‑铜层状复合材料的制备方法。本发明专利技术通过调节微孔结构的尺寸和密度，可有效控制界面结合强度，从而调节材料的整体力学性能和摩擦学性能。

A Graphite-Copper Laminated Composite and Its Preparation Method

The present invention relates to a graphite-copper laminated composite material, which comprises alternately arranged graphite layers and metal copper layers, and the copper layers are joined together by regularly arranged microporous structures through the graphite layers. At the same time, the invention also discloses the preparation method of the graphite-copper laminated composite material. By adjusting the size and density of the microporous structure, the interfacial bonding strength can be effectively controlled, thereby adjusting the overall mechanical properties and Tribological Properties of the material.

【技术实现步骤摘要】
一种石墨-铜层状复合材料及其制备方法
本专利技术涉及润滑与密封材料
，尤其涉及一种石墨-铜层状复合材料及其制备方法。
技术介绍
随着科学技术的发展和进步，对材料提出了越来越苛刻的要求，材料的性能直接决定着部件和整机的服役可靠性。其中润滑与密封材料是各类传动系统、推进系统、液压系统和气动系统以及机翼断头等结构零部件的重要组成部分，为保证润滑与密封的可靠性，选材应以高强度、良好的导热性、低且稳定的摩擦系数、优异的耐磨损性能以及良好的可加工性能的材料。石墨材料由于其具有耐高温、耐腐蚀和自润滑等诸多优点，是目前航空、航天等高端装备机械密封系统中主要的密封用材料。但随着现代科技的快速发展和满足极端服役环境要求，石墨材料在工作过程中会发生磨损、脱落、破碎等问题，极易造成密封失效，降低发动机推进能力，造成飞行故障甚至引发事故，现有的石墨材料已经不能满足高技术装备创新和跨越发展的需要，成为制约密封系统在极端环境下安全可靠服役的关键瓶颈技术，进而影响我国高端装备的发展进程。因此，设计制备兼具优异力学性能（高强度、高韧性）、低摩擦、耐磨损，高可靠和使用寿命长的润滑与密封材料，对加快国产高性能机械装备的研制具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种力学性能和摩擦学性能优异的石墨-铜层状复合材料及其制备方法。为解决上述问题，本专利技术所述的一种石墨-铜层状复合材料，其特征在于：该层状复合材料包括交替排列而成的石墨层和金属铜层；所述金属铜层之间通过贯穿所述石墨层的规则排列的微孔结构连接在一起。所述石墨层由柔性石墨纸构成，其厚度为0.05~0.3mm。所述金属铜层由青铜粉构成，其厚度为0.2~0.5mm。所述微孔结构的尺寸为50~800μm，中心间距为100~1600μm。如上所述的一种石墨-铜层状复合材料的制备方法，包括以下步骤：⑴在石墨纸上采用激光刻蚀法加工贯穿微孔结构；⑵将所述步骤⑴所得的石墨纸与铜粉交替对叠铺层，并在钢模具中干压成型，即得复合材料坯体；⑶所述复合材料坯体在真空环境下经热压烧结致密化后，即得石墨-铜层状复合材料。所述步骤⑴中激光刻蚀法的条件是指激光功率为8.0~10.0KW，激光频率为10~15Hz，加工次数为1~5次，加工速度为2~10mm/s。所述步骤⑴中的微孔结构呈圆形、三角形、四边形中的任意一种。所述步骤⑵中干压成型的条件是指压力为100~300MPa，保压时间为2~10min。所述步骤⑶中热压烧结的条件是指烧结温度750~850℃，保温0.5~2.0h，压力为10~35MPa。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、本专利技术通过调节微孔结构的尺寸和密度，可有效控制界面结合强度，从而调节材料的整体力学性能和摩擦学性能。2、本专利技术通过铺设石墨纸的厚度和铜粉的量来分别控制石墨层和金属铜层的厚度，而进入到石墨纸微孔中的铜粉便形成链接金属铜层间的微孔结构。3、本专利技术所得的层状复合材料在断裂时可用过层间滑移来提升抗断裂能力，金属铜层间贯穿石墨层的微孔结构可增强层间结合保证材料的强度，不但显著提高了材料的力学性能，而且材料在多维度表面都具有优异的摩擦学性能。附图说明下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明。图1为本专利技术具有微孔结构石墨纸照片。图2为本专利技术石墨-铜层状复合材料石墨层抛光面照片。图3为本专利技术石墨-铜层状复合材料断裂曲线。图4为本专利技术石墨-铜层状复合材料断裂形貌照片。图5为本专利技术实施例3中摩擦系数曲线。图6为本专利技术实施例4中摩擦系数曲线。具体实施方式实施例1一种石墨-铜层状复合材料，该层状复合材料包括交替排列而成的石墨层和金属铜层；金属铜层之间通过贯穿石墨层的规则排列的微孔结构连接在一起。其中：石墨层由柔性石墨纸构成，其厚度为0.17mm。金属铜层由青铜粉构成，其厚度为0.20mm。微孔结构为圆形，其直径为400μm，中心间距为800μm。该石墨-铜层状复合材料的制备方法，包括以下步骤：⑴在厚度为0.3mm的石墨纸上采用激光刻蚀法，在激光功率为8.0KW、激光频率为10Hz、加工次数为3次、加工速度为6mm/s的条件下进行加工，得到尺寸可控、规则排列的圆形贯穿微孔结构。激光加工后的石墨纸微孔结构如图1所示。⑵将步骤⑴所得的石墨纸放在冷压磨具中，然后将1.2g的青铜粉铺在石墨纸上，石墨纸微坑被青铜粉完全填充，并在石墨纸表面形成一层青铜金属层。连续交替堆叠后于压力为100MPa、保压时间为5min的条件下干压成型，即得复合材料坯体。⑶复合材料坯体在真空环境下，于烧结温度795℃、保温1.5h、压力为25MPa的条件下经热压烧结致密化后，即得石墨-铜层状复合材料。所得的石墨-铜层状复合材料中石墨层抛光照片如图2所示。将该复合材料用金刚石线切割机切割成所需尺寸的试样条后在万能试验机上进行力学性能的测试。弯曲强度和断裂韧性测试样品的尺寸分别为25mm×4mm×3.5mm和25mm×1.8mm×3.5mm。其中，弯曲强度采用三点弯曲法测试，试验跨距为20mm，加载速度为0.5mm/min；断裂韧性采用单边切口梁（SENB）法进行测试，样品的切口深度为1.75mm，试验跨距为14mm，加载速率为0.05mm/min。测得该材料的弯曲强度为280MPa，断裂韧性为7.5MPam1/2。与相同体积含量比的石墨铜均相复合材料断裂曲线对比如图3所示，本专利技术石墨-铜层状复合材料展现出典型的非脆性断裂曲线，具有优异的抗断裂性能和服役可靠性。实施例2一种石墨-铜层状复合材料，该层状复合材料包括交替排列而成的石墨层和金属铜层；金属铜层之间通过贯穿石墨层的规则排列的微孔结构连接在一起。其中：石墨层由柔性石墨纸构成，其厚度为0.11mm。金属铜层由青铜粉构成，其厚度为0.4mm。微孔结构为三角形，其边长为600μm，中心间距为1000μm。该石墨-铜层状复合材料的制备方法，包括以下步骤：⑴在厚度为0.2mm的石墨纸上采用激光刻蚀法，在激光功率为8.7KW、激光频率为15Hz、加工次数为2次、加工速度为5mm/s的条件下进行加工，得到三角形贯穿微孔结构。⑵将步骤⑴所得的石墨纸放在磨具中，然后将2.4g的青铜粉铺在石墨纸上，石墨纸微坑被铜粉完全填充，并在石墨纸表面形成一层铜金属层。连续交替堆叠后于压力为150MPa、保压时间为10min的条件下干压成型，即得复合材料坯体。⑶复合材料坯体在真空环境下，于烧结温度750℃、保温2.0h、压力为35MPa的条件下经热压烧结致密化后，即得石墨-铜层状复合材料。所得的石墨-铜层状复合材料经测试，该材料的弯曲强度为330MPa，断裂韧性为8.3MPam1/2，断裂过程呈典型的塑性断裂，断裂形貌如图4所示。实施例3一种石墨-铜层状复合材料，该层状复合材料包括交替排列而成的石墨层和金属铜层；金属铜层之间通过贯穿石墨层的规则排列的微孔结构连接在一起。其中：石墨层由柔性石墨纸构成，其厚度为0.3mm。金属铜层由青铜粉构成，其厚度为0.4mm。微孔结构为圆形，其直径为50μm，中心间距为100μm。该石墨-铜层状复合材料的制备方法，包括以下步骤：⑴在厚度为0.3mm的石墨纸上采用激光刻蚀法，在激光功率为9.5KW、激光频率为12Hz、加工次数为2次、加工速度为2mm/s的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨‑铜层状复合材料，其特征在于：该层状复合材料包括交替排列而成的石墨层和金属铜层；所述金属铜层之间通过贯穿所述石墨层的规则排列的微孔结构连接在一起。

【技术特征摘要】
1.一种石墨-铜层状复合材料，其特征在于：该层状复合材料包括交替排列而成的石墨层和金属铜层；所述金属铜层之间通过贯穿所述石墨层的规则排列的微孔结构连接在一起。2.如权利要求1所述的一种石墨-铜层状复合材料，其特征在于：所述石墨层由柔性石墨纸构成，其厚度为0.05~0.3mm。3.如权利要求1所述的一种石墨-铜层状复合材料，其特征在于：所述金属铜层由青铜粉构成，其厚度为0.2~0.5mm。4.如权利要求1所述的一种石墨-铜层状复合材料，其特征在于：所述微孔结构的尺寸为50~800μm，中心间距为100~1600μm。5.如权利要求1所述的一种石墨-铜层状复合材料的制备方法，包括以下步骤：⑴在石墨纸上采用激光刻蚀法加工贯穿微孔结构；⑵将所述步骤⑴所得的石墨纸与铜粉交替对叠铺层，并在钢模具中干压成型，即得复合材料坯体；⑶所述复...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永胜，樊恒中，苏云峰，宋俊杰，姜小芳，胡丽天，
申请(专利权)人：中国科学院兰州化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃,62