一种碳颗粒增强金属基复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种碳颗粒增强金属基复合材料的制备方法，属于金属材料制备技术领域。通过将脱胶短碳纤维和酚醛树脂粉末高能获得碳颗粒和酚醛树脂均匀嵌入的金属粉末，再将其进行超声和干燥处理，得到表面碳去除的内部嵌入碳和酚醛树脂粉末的金属粉，之后再将其与酚醛树脂粉末，以及其他组分混合后压制烧结得到碳颗粒增强金属基复合材料。本发明专利技术成功地解决了碳颗粒嵌入的金属粉末在烧结过程中的界面烧结不致密问题，实现了金属粉末在烧结致密的前提下，所设计和制备的金属复合材料的力学性能和耐磨性能大幅提高，制备工艺简单，成本低。

【技术实现步骤摘要】
一种碳颗粒增强金属基复合材料的制备方法
本专利技术涉及一种金属基复合材料，具体涉及一种碳颗粒增强金属基复合材料的制备方法。
技术介绍
碳颗粒(碳纤维、石墨等)增强金属基复合材料兼具金属的高导电导热、良好强韧性、耐腐蚀性能和碳纤维的高强韧性、石墨的润滑特性等，被广泛应用于导热材料、导电材料、摩擦材料等领域。近年来，研究人员为提高复合材料的力学性能和高温抗氧化性能，做了大量的研究，主要集中于碳/金属界面润湿性的改进、通过碳的加入，如碳表面镀覆金属、金属中加入其他合金元素降低与碳的界面润湿性，使用人造颗粒、碳纤维来改善材料的抗氧化性能，通过酚醛树脂包覆处理，促进金属氧化物膜层的还原，从而促进金属的烧结扩散。公开号为CN108018506A公开了一种短碳纤维改性高摩复合材料，其特征在于：所述短碳纤维改性高摩复合材料其所用原料包括下述组分：树脂包覆-固化处理短碳纤维1～3wt.％；纳米氧化物弥散强化铜粉大于等于15wt％；所述纳米氧化物弥散强化铜粉中，纳米氧化物通过原位生成。采用树脂包覆-固化处理短碳纤维与金属铜粉球磨制备预合金粉，再与其他组元粉末混合，通过压制烧结，制备一种短碳纤维改性高摩复合材料。但该方法可能存在的问题，即少量碳纤维裸露于铜颗粒外部，将阻碍铜颗粒间的烧结扩散，导致烧结可能存在的不致密现象。专利技术人研究发现，脱胶碳纤维或酚醛树脂包覆碳纤维与软性金属球磨，可获得碳颗粒或短碳纤维均匀嵌入的金属粉末。中国专利技术专利CN108018506A公开了一种短碳纤维改性高摩复合材料，所述短碳纤维改性高摩复合材料其所用原料包括下述组分：树脂包覆-固化处理短碳纤维1～3wt％；纳米氧化物弥散强化铜粉大于等于15wt％；所述纳米氧化物弥散强化铜粉中，纳米氧化物通过原位生成。采用树脂包覆-固化处理短碳纤维与金属铜粉球磨制备预合金粉，再与其他组元粉末混合，通过压制烧结，制备一种短碳纤维改性高摩复合材料。但该方法可能存在的问题，即少量碳纤维裸露于铜颗粒外部，将阻碍铜颗粒间的烧结扩散，导致烧结可能存在的不致密现象。如采用碳表面镀覆过渡性质金属或通过氧化或浸渍-裂解化合形成金属碳化物，都会影响碳颗粒或碳纤维本身的性能。
技术实现思路
为解决现有碳颗粒增强金属基复合材料存在的致密性差、各项性能不理想的技术不足，本专利技术提供了一种制备碳颗粒增强金属基复合材料的方法，旨在制得致密性好、强度、韧性等性能优异的碳颗粒增强金属基复合材料(本专利技术也简称为复合材料)。采用碳材料可以增强金属基复合材料的性能，但碳材料和金属相往往存在界面阻碍，难于充分发挥碳材料增强效果，预先将碳材料和部分基底金属复合，得到嵌碳金属粉末，随后再和基底金属烧结，可以提升得到的碳颗粒增强金属的性能，但改善程度有限。本专利技术人通过深入研究，首次发现其主要原因为嵌碳金属粉末表面不可避免地裸露碳材料阻碍了烧结过程的烧结扩散，导致烧结不致密。基于本专利技术首创性地发现的该技术问题，本专利技术创新地提出一种通过球磨过程中加入微细酚醛树脂粉末，获得碳颗粒和亚微米级酚醛树脂粉末均匀嵌入的金属复合粉末，利用超声处理结合低温加热-激冷工艺脱除嵌碳金属复合粉末表面的碳材料，最后在混料过程中补充加入微米级酚醛树脂粉末，利用酚醛树脂烧结时高温裂解形成的还原性气氛，实现近全致密的烧结，改善烧结得到的复合材料性能的方法。具体如下：本专利技术一种碳颗粒增强金属基复合材料的制备方法，将碳材料与酚醛树脂粉末I和基体金属A(本专利技术也称为金属A)球磨得到表面和内部嵌有碳颗粒和酚醛树脂粉末的金属粉末(本专利技术也称为球磨料)；将该球磨的金属粉末进行超声处理结合低温加热-激冷工艺，去除其表面的超细碳颗粒，得到备用料；将包含备用料与酚醛树脂粉末II、还选择性包含颗粒相B在内的原料混料后压制-烧结，得到碳颗粒增强金属基复合材料。本专利技术采用酚醛树脂粉末与碳材料和金属A粉末球磨处理，获得均匀嵌入碳颗粒和酚醛树脂粉末的金属复合粉末，再利用超声处理结合低温加热-激冷工艺，有效去除金属粉末表面镶嵌的碳，结合酚醛树脂粉末高温裂解时形成的高还原性气氛，在促进金属粉末颗粒间的烧结的同时，有效的保护了碳本身的结构，最大程度发挥了其特性。本专利技术方法，创新地预先将碳材料和酚醛树脂细粉球磨嵌入至基底金属中，随后再创新地利用低温加热-激冷工艺手段去除金属复合粉末裸露于金属外部的碳，从而有效改善其在基底金属中的烧结扩散，明显提升烧结致密性。本专利技术提供的制备方法，在实现了金属粉末在烧结致密的前提下，获得了高强、高韧、耐高温，且耐磨性良好的金属基复合材料，制备工艺简单，成本低。作为优选，所述的碳材料为零维、一维、二维、三维碳材料中的至少一种。进一步优选，所述的碳材料为颗粒石墨、碳纤维、碳纤维破碎后的碳颗粒的一种或多种按任意比例混合。作为更进一步的优选方案，所述碳材料为短碳纤维。所述的短碳纤维长度优选为1～5mm；直径优选为6～8μm。最优选，所述的碳材料为脱胶处理的短碳纤维。所述脱胶后的短碳纤维的制备方法为：在保护气氛下；将短碳纤维束加热至650～800℃保温处理20～90min；得到脱胶后的短碳纤维。脱胶后的短碳纤维的长度优选为1～5mm；直径优选为6～8μm。本专利技术中，基体金属A可以为合金领域行业技术人员所能获知的任何可以用来制备碳增强复合材料的基底金属材料。作为优选，所述基体金属A的氧化物难用和/或可用H2、CO中的一种或多种还原性气氛还原；和/或，所述基体金属A的氧化物也可用H2、CO中的一种或多种还原性气氛还原；优选地，所述基体金属A为铝、钛、锆、铜、铁、镍、铬、锰、银中的至少一种；进一步优选为铜、铝、钛、镍中的至少一种。所述酚醛树脂粉末I的粒径小于等于100μm，优选为10～80μm。所述金属粉体A、碳材料和酚醛树脂粉末I的体积比为80～99:0.01～1:1～19；进一步优选为80～90:0.5～1:9～9.5。控制在该比例下，可以进一步提升制得的复合材料的性能，特别是力学性能、耐磨性能提升明显。作为优选，将碳材料、酚醛树脂粉末I和基底金属A球磨，预先将碳材料和酚醛树脂粉末I嵌入基底金属中，如此可以获得碳材料和酚醛树脂粉末I均匀分布的金属粉末，以进一步促进烧结，改善制得的复合材料的性能；再协同配合本专利技术创新地超声处理，可以进一步明显改善制得的复合材料的性能。本专利技术中，将碳材料与酚醛树脂粉末I和基体金属A经高能球磨得到所述的球磨料，该球磨料为表面和内部嵌有碳颗粒和酚醛树脂粉末的金属粉末。作为优选，所述球磨转速为220～350r/min。作为优选，所述球磨中，碳材料与酚醛树脂粉末I和基体金属A的总质量与磨球的质量比为1:5～8。作为优选，时间至少为6h。球磨得到的金属粉末的粒径优选为40～300μm。本专利技术还创新地对球磨得到的金属粉末进行超声处理结合低温加热-激冷处理，旨在脱除该金属粉末嵌入的碳。作为优选，所述超声处理结合低温加热-激冷工艺为：将球磨得到的金属粉末经超声处理，将超声后的物料在150～300℃下热处理，将热处理后的物料在液氮中激冷(急冷)，激冷处理后的物料再经超声处理，即得去除表面碳的备用料。进一步优选，所述超声处理结合低温加热-激冷工艺步骤：1)将球磨得到的金属粉末加入酒精中获得混合液，超声处理5～60min，将混合液真空干燥，获得干本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳颗粒增强金属基复合材料的制备方法；其特征在于：将碳材料与酚醛树脂粉末I和基体金属A球磨得到表面和内部嵌有碳颗粒和酚醛树脂粉末的金属粉末；将该球磨得到的金属粉末进行超声处理结合低温加热‑激冷工艺，去除其表面的碳颗粒，得到备用料；将包含备用料与酚醛树脂粉末II、还选择性包含颗粒相B在内的原料混料后压制‑烧结，得到碳颗粒增强金属基复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种碳颗粒增强金属基复合材料的制备方法；其特征在于：将碳材料与酚醛树脂粉末I和基体金属A球磨得到表面和内部嵌有碳颗粒和酚醛树脂粉末的金属粉末；将该球磨得到的金属粉末进行超声处理结合低温加热-激冷工艺，去除其表面的碳颗粒，得到备用料；将包含备用料与酚醛树脂粉末II、还选择性包含颗粒相B在内的原料混料后压制-烧结，得到碳颗粒增强金属基复合材料。2.如权利要求1所述的碳颗粒增强金属基复合材料的制备方法；其特征在于：所述的碳材料为零维、一维、二维、三维碳材料中的至少一种；优选为人造石墨颗粒、碳纤维、纤维碳颗粒、石墨颗粒的至少一种；进一步优选，所述的碳材料为短碳纤维；长度优选为1～5mm；直径优选为6～8μm；更进一步优选，所述的碳材料为脱胶处理的短碳纤维；所述脱胶短碳纤维的制备工艺为：将短碳纤维束在惰性气氛或真空条件下，于650～800℃热处理20～90min即得。3.如权利要求1所述的碳颗粒增强金属基复合材料的制备方法；其特征在于：所述基体金属A的氧化物难用和/或可用H2、CO中的一种或多种还原性气氛还原；和/或，所述基体金属A的氧化物也可用H2、CO中的一种或多种还原性气氛还原；优选地，所述基体金属A为铝、钛、锆、铜、铁、镍、铬、锰、银中的至少一种；进一步优选为铜、铝、钛、镍中的至少一种。4.如权利要求1所述的碳颗粒增强金属基复合材料的制备方法；其特征在于：所述酚醛树脂粉末I的粒径小于等于100μm，优选为10～80μm；所述金属粉体A、碳材料和酚醛树脂粉末I的体积比为80～99:0.01～1:1～19。5.如权利要求1～4任一项所述的碳颗粒增强金属基复合材料的制备方法；其特征在于：所述球磨转速为220～350r/min；所述球磨中，碳材料与酚醛树脂粉末I和基体金属A的总质量与磨球的质量比为1:5～8；时间至少为6h。6.如权利要求1～5任一项所述的碳颗粒增强金属基复合材料的制备方法；其特征在于：所述超声处理结合低温加热-激冷工艺为：将球磨得到的金属粉末经超声处理，将超声后的物料在150～300℃下热处理，将热处理后的物料在液氮中激冷，激冷处理后的物料再经超声处理，即得...

【专利技术属性】
技术研发人员：方华婵，肖鹏，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43