一种C/C-Ni-Cu复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术所提供一种制备C/C‑Ni‑Cu复合材料及其制备方法和应用，该方法以短切碳纤维作为骨架，采用微波水热反应在碳纤维表面沉积碳层，葡萄糖为碳源、六水合硝酸镍为镍源，以尿素为沉淀剂，利用水热技术在碳纤维预制体中沉积C、NiO颗粒。采用真空碳热还原反应对水热沉积的C/C‑NiO复合材料进行烧结，获得C/C‑Ni复合材料，并实现基体碳的催化石墨化。再利用Ni与Cu的无限互溶特性，采用熔融渗铜技术制备C/C‑Ni‑Cu复合材料，获得具有优异性能的C/C‑Ni‑Cu复合材料。

A C/C-Ni-Cu Composite Material and Its Preparation Method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种C/C-Ni-Cu复合材料及其制备方法和应用
本专利技术属于纳米复合材料制备
，涉及一种C/C-Ni-Cu复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
随着经济的高速发展和国家对铁路行业的大力投入，高铁得到了飞速的发展，成为铁路运输行业必不可少的重要组成。受电弓滑板是高铁电力机车的灵魂部件，它将输电网上的电流传输给机车供电系统，维持电力机车正常运行。高铁的快速运行中受电弓滑板承受高达150000A的工作电流、300Km/h的高速滑动摩擦和离线电弧的烧损，长期暴露在自然环境下工作，服役条件严酷。为了保证高铁的快速安全运行对受电弓滑板材料也提出了更高要求，亟待开发具有良好导电性、耐磨性，对配副损伤小，抗冲击性能优良、环境适应性好的滑动导电材料。C/C-Cu复合材料综合了C/C复合材料低密度、高比强度、优异的摩擦学性能而备受关注，成为高铁受电弓滑板的极具潜力的候选材料之一。然而，铜和碳的润湿性很差，在1200℃时铜和碳的润湿角接近170°。碳在铜中的扩散系数几乎为零，且碳与铜不发生化学反应，也不形成任何碳化物，成为C/Cu复合材料性能提升的瓶颈。另外，多孔C/C-Cu复合材料的制备多采用化学气相沉积的方式来实现，基体碳的石墨化度不高。低石墨化度的碳材料不利于电导率、摩擦磨损性能的提升，制约了C/C-Cu复合材料性能的进一步提升。
技术实现思路
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种C/C-Ni-Cu复合材料及其制备方法和应用，改善了C/C-Cu复合材料的润湿性，同时，实现了基体碳的催化石墨化，可作为受电弓滑板材料用于高铁中。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种C/C-Ni-Cu复合材料的制备方法，包括以下步骤：1)将碳源溶于水中，配制成碳源溶液；将镍源溶于水中，并加入尿素混合，得到镍源溶液；2)将碳纤维预制体浸入碳源溶液中，进行水热反应，得到碳纤维预制体A；3)将碳纤维预制体A浸泡在镍源溶液中，进行抽真空处理，得到碳纤维预制体B；碳纤维预制体B置于溶剂中，进行溶剂热反应，产物干燥，得到碳纤维预制体C；4)将碳纤维预制体C进行高温碳化，得到C/C-Ni复合材料；5)将C/C-Ni复合材料经熔融渗铜，得到C/C-Ni-Cu复合材料。优选的，步骤1)中，碳源为葡萄糖或蔗糖，碳源溶液中碳源浓度为250～400g/L。优选的，步骤1)中，镍源为六水合硝酸镍，镍源与尿素的摩尔比为(0.8～1)∶1。优选的，，步骤2)中，水热反应在微波反应器中进行，反应温度160-200℃，反应时间2～3h。优选的，，步骤3)中，溶剂热反应在微波反应器中进行，反应温度160-200℃，反应时间2～3h。优选的，步骤3)中，溶剂为食用油。优选的，步骤4)中，重复步骤3)和步骤4)，直至C/C-Ni复合材料密度达到0.8-1.2g/cm3。优选的，步骤4)中，高温碳化具体是：在保护气氛下800-1000℃煅烧1-2h。采用所述的制备方法制备得到的C/C-Ni-Cu复合材料。所述的C/C-Ni-Cu复合材料作为受电弓滑板材料在高铁中的应用。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术以碳纤维做为骨架，与碳源进行水热反应，在亚临界水热条件下可以实现碳/碳复合材料的致密化，进一步负载Ni，得到C/C-Ni-Cu复合材料。一方面，利用Ni与Cu具有无限互溶的特性来改善C/C-Cu复合材料的润湿性和界面结合，并通过界面调控优化复合材料的性能。另一方面，利用Ni具有催化石墨化的特性来改善C/C复合材料基体碳的石墨化度，在制备C/C-Cu复合材料的同时，实现了基体碳的催化石墨化，有效提升了复合材料的电导率，可实现C/C-Cu复合材料性能的进一步提升。通过水热技术，将C和NiO同时沉积在碳纤维表面，再利用碳热还原制备C/C-Ni复合材料，实现了Ni在碳基体中的弥散分布，提高了Ni的催化石墨化效率；弥散分布的Ni颗粒也更有利于Cu在C/C-Ni复合材料坯体里面的熔融浸渗，提升C/C-Ni-Cu复合材料的性能和界面结合。本专利技术中所涉及的C/C-Ni-Cu复合材料可以简单、高效和低成本地获得润湿性及界面结合性优异的C/Cu体系，高致密性、高石墨化程度使得复合材料具有很好的导电性、耐磨性以及优良的抗冲击性能。进一步的，镍源与尿素的比例控制在合适的范围，能够保证合适的碱性条件，利用镍的反应。进一步的，溶剂为食用油，一方面溶剂可以重复利用，另一方面，利用油浴的环境使得在水热反应时尽可能的在复合材料内部进行，节省原料的同时能够更快速得到目标复合材料。进一步的，重复步骤3)和步骤4)，直至C/C-Ni密度达到0.8-1.2g/cm3。与普通的化学气相沉积相对比，可以在复合材料的内部形成均匀的金属氧化物颗粒分布。本专利技术制备的C/C-Ni-Cu复合材料润湿性及界面结合性能优异，具有高致密性和高石墨化程度，使得复合材料具有很好的导电性、耐磨性以及优良的抗冲击性能，可作为受电弓滑板材料应用于高铁。附图说明图1是本专利技术实施例5所制备的C/C-Ni复合材料的表面扫描电镜(SEM)照片；图2是本专利技术实施例5所制备的C/C-Ni-Cu复合材料的EDS能谱图。图3是本专利技术实施例1、3和5制备的C/C-Ni复合材料的Raman谱图；(a)不同密度下的复合材料拉曼图；(b)进行数据拟合分析ID/IG折线图。具体实施方式下面结合具体的实施例对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。本专利技术所述的C/C-Ni-Cu复合材料的制备方法，包括以下步骤：1)将生物质碳源溶于水中，配制成浓度为250～400g/L的碳源溶液；2)将短切碳纤维预制体和碳源溶液放入水热釜中在微波反应器中反应，反应温度160-200℃，反应时间2～3h，反应结束后自然冷却至室温，取出碳纤维预制体进行真空干燥处理，得到碳纤维预制体A；3)将镍源溶于水中，并加入尿素混合，得到镍源溶液；4)将镍源溶液、碳纤维预制体A放入烧杯中，浸泡12小时，进行抽真空处理，得到碳纤维预制体B；取出碳纤维预制体B放入水热釜中，以食用油作溶剂，放入微波反应器中反应，反应温度160-200℃，反应时间2～3h，反应结束后自然冷却至室温，取出在普通烘箱中进行干燥，打磨得到试样；5)将试样放置坩埚内，后将坩埚放入高温管式炉的中，在氩气气氛下800-1000℃进行反应1-2h，后随炉冷却至室温，得到C/C-Ni复合材料；6)重复步骤4)和步骤5)，直至C/C-Ni复合材料密度达到0.8-1.2g/cm3；7)将步骤6)所得C/C-Ni复合材料经熔融渗铜，得到C/C-Ni-Cu复合材料。所述步骤1)中生物质碳源为葡萄糖或蔗糖。所述步骤2)中短切碳纤维预制体为碳毡。所述步骤3)中镍源与尿素的摩尔比为(0.8～1)∶1。所述步骤4)中食用油可重复利用，完全浸没试样。所述步骤5)中所制备的复合材料有良好的孔隙率。所述步骤7)在真空热压炉(1600℃)中进行，熔融渗铜采用的渗铜剂是纯度99％的铜粉与钛粉按9：1均匀混合得到。实施例1：步骤1：选取碳毡为短切碳纤维预制体作为骨架；以葡萄糖作为碳源，配制浓度为300g/L的葡萄糖溶液；步骤2：将短切碳纤维预制体和碳源溶液放入水热釜中在微波反应器中反应，反应温度200℃，反应时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种C/C‑Ni‑Cu复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将碳源溶于水中，配制成碳源溶液；将镍源溶于水中，并加入尿素混合，得到镍源溶液；2)将碳纤维预制体浸入碳源溶液中，进行水热反应，得到碳纤维预制体A；3)将碳纤维预制体A浸泡在镍源溶液中，进行抽真空处理，得到碳纤维预制体B；碳纤维预制体B置于溶剂中，进行溶剂热反应，产物干燥，得到碳纤维预制体C；4)将碳纤维预制体C进行高温碳化，得到C/C‑Ni复合材料；5)将C/C‑Ni复合材料经熔融渗铜，得到C/C‑Ni‑Cu复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种C/C-Ni-Cu复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将碳源溶于水中，配制成碳源溶液；将镍源溶于水中，并加入尿素混合，得到镍源溶液；2)将碳纤维预制体浸入碳源溶液中，进行水热反应，得到碳纤维预制体A；3)将碳纤维预制体A浸泡在镍源溶液中，进行抽真空处理，得到碳纤维预制体B；碳纤维预制体B置于溶剂中，进行溶剂热反应，产物干燥，得到碳纤维预制体C；4)将碳纤维预制体C进行高温碳化，得到C/C-Ni复合材料；5)将C/C-Ni复合材料经熔融渗铜，得到C/C-Ni-Cu复合材料。2.根据权利要求1所述的C/C-Ni-Cu复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，碳源为葡萄糖或蔗糖，碳源溶液中碳源浓度为250～400g/L。3.根据权利要求1所述的C/C-Ni-Cu复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，镍源为六水合硝酸镍，镍源与尿素的摩尔比为(0.8～1)∶1。4.根据权利要求1所述的C/C-Ni-Cu复合材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：李翠艳，王鹏，马媛月，欧阳海波，刘雪，许钊，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61