一种三维网络碳相增强铜基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种三维网络碳相增强铜基复合材料及其制备方法；属于碳/铜复合材料设计制备技术领域。所述复合材料包括短碳纤维、碳纳米管、基体，所述基体为铜或铜合金；其中短碳纤维、碳纳米管分布在铜和/或铜合金基体中，所述短碳纤维作为一级增强体，碳纳米管作为二级增强体，所述全部或部分碳纳米管通过原位生长的方式固定在短碳纤维上。所述制备方法为：按照涉及组分配取不同的长度的短碳纤维；然后在短碳纤维上沉积生成碳纳米管；得到CNT

【技术实现步骤摘要】
一种三维网络碳相增强铜基复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种三维网络碳相增强铜基复合材料及其制备方法；属于碳/铜复合材料设计制备


技术介绍

[0002]在铁路、轻轨、地铁以及电机等领域，其工作运行过程中需要利用滑动集电材料(受电弓滑板、集电靴或滑块)从铜线或导电轨获得电流。滑动集电材料/导电网的匹配性能对高速列车与电机的运行安全至关重要，它要求滑动集电材料具有高力学性能、低电阻、优良的耐磨性与润滑性能。
[0003]碳基复合材料(铜浸渍碳滑板和纯碳滑板)因其良好的自润滑性能被广泛用作滑动集电材料，但其韧性和强度较差，磨损表面易发生破裂和坍塌过程，导致异常磨损。石墨/铜基复合材料具有高强度、低电阻、优良导热导电与较好耐磨性能，广泛应用于受电弓滑板与电机电刷，但石墨/铜基滑板材料的润滑摩擦性能不足，易对铜网造成大的磨损。这是因为石墨与铜粉的密度存在较大差异，在石墨/铜基复合材料的粉末冶金球磨制备过程中，石墨与铜粉易发生分层，引起石墨粉团聚，石墨/铜基复合材料的润滑性难以充分发挥。
[0004]碳纤维增强铜/碳复合材料受到研究者关注，并表现出优良的力学性能、导电性能与摩擦磨损性能。但目前仍没有突破产业化，其主要原因是该类型复合材料的制备工艺复杂与长碳纤维的高成本。短碳纤维增强碳基滑板存在碳纤维均匀分散困难、碳纤维增强效果不足的问题。西北工业大学专利[CN101525730A]‑
高体积分数C/Cu复合材料的低压辅助熔渗制备方法中，专利技术人通过短碳纤维与酚醛树脂的混合碳化制备预制体，经低压辅助熔渗制备短碳纤维增强C/Cu基复合材料，该复合材料具有高体积的碳含量；但碳化过程中短碳纤维与树脂的热匹配性与收缩率差异较大，碳化后碳纤维与树脂碳基体的界面结合强度差，碳纤维易于拔出，难以充分发挥短碳纤维的增强效果。

技术实现思路

[0005]针对上述滑动集电材料的问题，本专利首次提出用低成本的短碳纤维代替长碳纤维或者石墨作为润滑组元，与碳纳米管(CNT)结合形成三维网络结构增强铜基复合材料，即原位CNT改性碳纤维/铜基复合材料(CNT
‑
Cf/铜基复合材料)。
[0006]针对长碳纤维编制工艺复杂与石墨粉球磨分散困难的问题，本专利材料短碳纤维堆叠+CVD沉积热解炭定型预制体，使短碳纤维在CNT
‑
Cf/铜基复合材料中均匀分散；基于树根系的多级增强理论，短碳纤维为一级增强(根系主干)，CNT为二级增强(根系晶须)，短碳纤维与CNT形成三维网络结构改善铜基体的综合性能(力学性能、导电导热性能与摩擦磨损性能)。CNT
‑
Cf/铜基复合材料具有良好界面结合且高致密度，该类型复合材料具有高导电导热、高力学性能、优良耐磨性与自润滑性能，同时其制备工艺简单易控，是一种具有良好的市场前景的新型滑动集电材料。
[0007]本专利技术一种三维网络碳相增强铜基复合材料，其包括短碳纤维、碳纳米管、基体，
所述基体为铜或铜合金；其中短碳纤维、碳纳米管分布在铜和/或铜合金基体中，所述短碳纤维作为一级增强体，碳纳米管作为二级增强体，所述全部或部分碳纳米管通过原位生长的方式固定在短碳纤维上。
[0008]本专利技术一种三维网络碳相增强铜基复合材料，所述短碳纤维由不同长度的短切碳纤维构成，所述短碳纤维的长度小于等于100mm、优选为小于等于30mm、进一步优选为小于等于20mm。
[0009]作为进一步的优选，所述不同长度的短切碳纤维包括长度为15～20mm的碳纤维、长度为6.5～13.5mm的碳纤维和长度为4.5～5.5mm的碳纤维。
[0010]作为更进一步的优选，长度为15～20mm的碳纤维、长度为6.5～13.5mm的碳纤维、长度为4.5～5.5mm的碳纤维按质量比A：B：C组成，其中A、C小于B。
[0011]再更进一步的优选，A等于0.4～0.6倍B、C等于0.4～0.6倍B。
[0012]本专利技术一种三维网络碳相增强铜基复合材料，碳纳米管的质量为短碳纤维质量的1
‑
20％、优选为6.5
‑
13.5％。
[0013]本专利技术一种三维网络碳相增强铜基复合材料，碳纳米管与短碳纤维的总体积占三维网络碳相增强铜基复合材料体积的5
‑
40％、优选为23
‑
28％。即在本专利技术中，定义三维网络碳相增强铜基复合材料的体积为V；定义体积为V的三维网络碳相增强铜基复合材料中碳纳米管与短碳纤维的总体积为V
碳
，V
碳
/V*100％＝5
‑
40％、优选为23
‑
28％。
[0014]本专利技术基于树根系的多级增强理论，短碳纤维作为一级增强，CNT作为二级增强，碳纤维与CNT形成三维网络结构强化铜基复合材料；采用短碳纤维与CNT作为强化与润滑组元，经过短纤维堆叠、热解炭层沉积、CNT原位生长与包埋浸渍铜合金，制备性能优异的CNT
‑
Cf/铜基复合材料。本专利技术制备工艺简单易控、成本低廉。
[0015]本专利技术一种三维网络碳相增强铜基复合材料的制备方法，包括下述步骤：
[0016]步骤A
[0017]按照涉及组分配取不同的长度的短碳纤维；然后在短碳纤维上沉积生成碳纳米管；得到CNT
‑
Cf；
[0018]步骤B
[0019]将名义成分为铜基体设计组分的粉末覆盖在CNT
‑
Cf上；
[0020]或将CNT
‑
Cf包埋与名义成分为铜基体设计组分的粉末中，烧结得到产品；所述烧结的温度大于等于粉末的熔化温度。
[0021]作为优选，步骤A中，通过压制得到短碳纤维多孔体；然后通过CVI工艺在短碳纤维多孔体上沉积热解炭，得到带有热解炭的短碳纤维多孔体，接着通过化学气相沉积工艺在带有热解炭的短碳纤维多孔体上原位生成碳纳米管。
[0022]在具体工业化应用时，选取不同长度的短碳纤维进行配比(例如纤维尺寸比例呈线性分布或正态分布，或者按照本专利技术其他设计要求)，控制后期碳纤维预制体的孔隙联通，优化Cf/铜基复合材料的致密度；短切碳纤维在石墨模具内堆叠放置，通过摇动、振动、压制调整碳纤维之间的空隙，制备得到短碳纤维多孔体。
[0023]在具体工业化应用时，CVI沉积热解炭层固定短碳纤维结构。即通过CVI工艺在短碳纤维多孔体上沉积热解炭，得到带有热解炭的短碳纤维多孔体；所用CVI工艺条件为：温度为850
‑
1150℃，压力为800
‑
1200Pa；碳源C3H6气体流量为1
‑
3L/min，稀释气体N2流量为2
‑
6L/min；沉积时间为50
‑
300h。
[0024]在具体工业化应用时，通过化学气相沉积工艺在带有热解炭的短碳纤维多孔体上原位生成碳纳米管时，采用下述工艺：
[0025]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维网络碳相增强铜基复合材料，其特征在于：所述复合材料包括短碳纤维、碳纳米管、基体，所述基体为铜或铜合金；其中短碳纤维、碳纳米管分布在铜和/或铜合金基体中，所述短碳纤维作为一级增强体，碳纳米管作为二级增强体，所述全部或部分碳纳米管通过原位生长的方式固定在短碳纤维上。2.根据权利要求1所述的一种三维网络碳相增强铜基复合材料，其特征在于：所述短碳纤维由不同长度的短切碳纤维构成，所述短碳纤维的长度小于等于100mm、优选为小于等于30mm、进一步优选为小于等于20mm。3.根据权利要求2所述的一种三维网络碳相增强铜基复合材料，其特征在于：所述不同长度的短切碳纤维包括长度为15~20mm的碳纤维、长度为6.5~13.5mm的碳纤维和长度为4.5~5.5mm的碳纤维。4.根据权利要求3所述的一种三维网络碳相增强铜基复合材料，其特征在于：长度为15~20mm的碳纤维、长度为6.5~13.5mm的碳纤维、长度为4.5~5.5mm的碳纤维按质量比A：B：C组成，其中A、C小于B。5.根据权利要求4所述的一种三维网络碳相增强铜基复合材料，其特征在于： A等于0.4~0.6倍B、C等于0.4~0.6倍B。6.根据权利要求1所述的一种三维网络碳相增强铜基复合材料，其特征在于：碳纳米管的质量为短碳纤维质量的1
‑
20%、优选为6.5
‑
13.5%；所述三维网络碳相增强铜基复合材料，碳纳米管与短碳纤维的总质量占三维网络碳相增强铜基复合材料体积的5
‑
40%、优选为23
‑
28%，即在本发明中，定义三维网络碳相增强铜基复合材料的体积为V；定义体积为V的三维网络碳相增强铜基复合材料中碳纳米管与短碳纤维的总质量为V
碳
，V
碳
/V*100%=5
‑
40%、优选为23
‑
28%。7.一种如权利要求1
‑
6任意一项所述的三维网络碳相增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于包括下述步骤：步骤A按照涉及组分配取不同的长度的短碳纤维；然后在短碳纤维上沉积生成碳纳米管；得到CNT
‑
Cf；步骤B将名义成分为铜基体设计组分的粉末覆盖在CNT
‑
Cf上；或将CNT
‑
Cf包埋与名义成分为铜基体设计组分的粉末中，烧结得到产品；所述烧结的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王培，魏凤春，赵志伟，
申请(专利权)人：河南工业大学，
类型：发明
国别省市：