CN100577847C - 一种炭/炭/铜复合材料及其生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生产工艺易控制，产品均质性好，具有优良综合性能的炭/炭/铜复合材料，其特征是以重量100%计，炭/炭复合材料与铜或铜合金的重量比为15～75∶85～25；其生产工艺为将制备的网胎与炭布通过针刺复合成预制件，再经过增密(或真空压力渗铜)，使不同形态的碳、铜或铜合金复合成一体而制成炭/炭/铜复合材料；本发明生产工艺简单易控，制成的复合材料具有优良的耐磨性和适宜的导电性，还具有高比强度、高比模量、耐高温、耐烧蚀等特点，可应用于高导电性和耐磨性领域；如用该材料制造的电刷的磨损量低于0.18mm/50h，而目前所用电刷的磨损量一般高于0.20mm/50h。
Description
技术领域：
本发明涉及一种用于高导电性和耐磨性领域中材料，具体地说是一种炭/炭/铜复合材料及其生产工艺。
背景技术：
炭纤维-铜基复合材料由于综合了铜的良好导电、导热性及炭纤维的高比强度、比模量、低热膨胀系数及良好的润滑性，具备了较高的强度、良好的传导性、减磨耐磨性、耐蚀性、耐电弧烧蚀性和抗熔焊性等一系列优点，已被广泛应用于电子元件材料、滑动材料、触头材料，集成电路散热板及耐磨器件等领域，是一类很有发展前途的新型功能材料。目前，制备炭纤维-铜基复合材料主要采用以下几种工艺：粉末冶金法、热压法、挤压铸造法等。粉末冶金法制备炭纤维-铜基复合材料，存在生产效率低、生产工艺复杂等不足，一般只适用于纤维含量较低的短纤维-铜基复合材料；热压法相对粉末冶金法，对纤维损伤小，制得的材料性能较佳，但设备昂贵，成本高，不易批量生产，在工业上较难推广；挤压铸造法制备炭纤维-铜基复合材料是一种有效方法，工艺参数易于控制，性能稳定，制备成本低，合理控制工艺参数可以制备出高性能的复合材料，但在获得良好制备性能的复合材料方面还存在很多不足，挤压铸造过程易产生几大缺陷：纤维体积含量难以控制，易造成炭纤维的偏聚；高压作用下，造成很大的应力集中，纤维与纤维界面脆性接触，裂纹易迅速扩展造成低应力破坏。
发明内容：
本发明的目的是提供一种生产工艺易控制，产品均质性好，具有优良综合性能的炭/炭/铜复合材料及其生产工艺。
本发明是采用如下技术方案实现其发明目的的，将短炭纤维通过无纺技术制备成网胎，将长纤维通过纺织技术制备成炭布，然后通过针刺技术将两者复合成预制件(复合时根据工艺需要加入铜粉或铜合金粉)，再经过化学气相沉积(渗透)和/或浸渍等技术，或采用随后的真空压力渗铜技术，使不同形态的碳、铜或铜合金复合成一体而制成炭/炭/铜复合材料。
一种炭/炭/铜复合材料，以重量100％计，炭/炭复合材料与铜或铜合金的重量比为15～75∶85～25。
所述的炭/炭/铜复合材料增密后表观密度为1.3g/cm3～6.2g/cm3，电阻率为1μΩm～26μΩm，肖式硬度为40～85，抗弯强度为35MPa～150MPa。
其生产工艺，包括以下步骤：
(1)开松成网：按配比选取6mm～70mm长的短炭纤维，经开松设备开松成蓬松的单根状纤维，然后把开松好的炭纤维经气流成网和/或梳理成网，再利用铺网机铺成纤维网，预刺成网胎，所述网胎的面密度为50g/m2～100g/m2；
(2)叠层针刺复合：把经步骤(1)所得的网胎平铺在工作台上，将按配比选取的铜粉或铜合金粉均匀撒于网胎上，然后铺层炭布，再在炭布上面铺层网胎，通过针刺，包裹固定铜粉或铜合金粉，如此重复制成所需要求的炭/炭/铜复合材料预制件，所述炭布的面密度为200g/m2～300g/m2；
(3)增密：将步骤(2)所得的预制件增密成炭/炭/铜复合材料。
本发明的步骤(2)还可以为把经步骤(1)所得的网胎平铺在工作台上，将按配比选取的铜粉或铜合金粉均匀撒于网胎上，再铺层网胎，通过针刺，包裹固定铜粉或铜合金粉，如此重复制成所需要求的炭/炭/铜复合材料预制件。
本发明在步骤(2)中，针刺工艺为针刺深度7～15mm；针刺密度3～10次/cm2。
本发明的另一种生产工艺还可以采用以下步骤：
(1)开松成网：按配比选取6mm～70mm长的短炭纤维，经开松设备开松成蓬松的单根状纤维，然后把开松好的炭纤维经气流成网和/或梳理成网，再利用铺网机铺成纤维网，预刺成网胎，所述网胎的面密度为50g/m2～100g/m2；
(2)叠层针刺复合：把经步骤(1)所得的网胎平铺在工作台上，在其上面铺层炭布，然后再铺层网胎，通过针刺使其复合，如此重复制成所需要求的炭/炭复合材料预制件，所述炭布的面密度为200g/m2～300g/m2；
(3)增密：将步骤(2)所得的预制件增密成所需密度和孔隙度的坯体；
(4)渗铜：将步骤(3)所得坯体和按配比选取的铜或铜合金放入真空熔炼炉中，使铜或铜合金液渗入坯体之中制成炭/炭/铜复合材料。
本发明在步骤(2)中，针刺工艺为针刺深度7～15mm；针刺密度3～10次/cm2。
本发明在步骤(4)中，首先将真空熔炼炉升温使铜或铜合金熔化，然后通入惰性气体，使铜液或铜合金液在1.2×105Pa～3×105Pa压力下渗入到坯体中制成炭/炭/铜复合材料。
由于采用上述技术方案，本发明较好的实现了发明目的，其生产工艺简单易控，具有良好的制备性能，制成的复合材料具有优良的耐磨性和适宜的导电性，还具有高比强度、高比模量、耐高温、耐烧蚀等特点，可应用于高导电性和耐磨性领域；如用该材料制造的电刷明显提高了电刷的电学和力学性能，电刷的磨损量低于0.18mm/50h，而目前所用电刷的磨损量一般高于0.20mm/50h。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
一种炭/炭/铜复合材料，以重量100％计，炭/炭复合材料与铜或铜合金(本实施例采用铜粉)的重量比为15～75(本实施例为75)∶85～25(本实施例为25)，所述炭/炭/铜复合材料增密后表观密度为1.3g/cm3～6.2g/cm3(本实施例为2.5g/cm3)，电阻率为1μΩm～26μΩm(本实施例为20μΩm)，肖式硬度为40～85(本实施例为80)，抗弯强度为35Mpa～150Mpa(本实施例为130Mpa)。
其生产工艺包括以下步骤：
(1)开松成网：按配比选取6mm～70mm长的短炭纤维，经开松设备开松成蓬松的单根状纤维，然后把开松好的炭纤维经气流成网和/或梳理成网(本实施例采用气流成网和梳理成网)，再利用铺网机铺成纤维网，预刺成网胎；所述网胎的面密度为70g/m2。
(2)叠层针刺复合：把经步骤(1)所得的网胎平铺在工作台上，将按配比选取的铜或铜合金(本实施例采用铜粉)均匀撒于网胎上，然后铺层炭布，再在炭布上面铺层网胎，通过针刺，包裹固定铜粉，如此重复制成所需要求的炭/炭/铜复合材料预制件；所述炭布的面密度为220g/m2
(3)增密：将步骤(2)所得的预制件增密成炭/炭/铜复合材料。增密工艺采用但不限于化学气相渗透(沉积)和液相浸渍相结合的增密工艺，使其密度达到2.5g/cm3。
本发明在步骤(2)中，针刺工艺为针刺深度9mm；针刺密度5次/cm2。
制成的炭/炭/铜复合材料可用于高导电性和耐磨性领域，如制造电机电刷、电力机车滑板等。
实施例2：
以重量100％计，炭/炭复合材料与铜或铜合金(本实施例采用铜-锡合金粉)的重量比为60∶40，所述炭/炭/铜复合材料增密后表观密度为4.0g/cm3，电阻率为25μΩm，抗弯强度为45MPa，肖氏硬度为50。
其生产工艺在步骤(1)中，所述网胎的面密度为85g/m2。
步骤(2)为把经步骤(1)所得的网胎平铺在工作台上，将按配比选取的铜-锡合金粉均匀撒于网胎上，再铺层网胎，通过针刺，包裹固定铜-锡合金粉，如此重复制成所需要求的炭/炭/铜复合材料预制件。
其针刺工艺为针刺深度12mm；针刺密度7次/cm2。
增密工艺采用液相浸渍，使其密度达到4.0g/cm3。
余同实施例1。
制成的炭/炭/铜复合材料可用于高导电性和耐磨性领域，如制造电机电刷、电力机车滑板等。
实施例3：
一种炭/炭/铜复合材料，以重量100％计，炭/炭复合材料与铜或铜合金(本实施例采用铜粉)的重量比为15～75(本实施例为20)：85～25(本实施例为80)，所述炭/炭/铜复合材料增密后表观密度为1.3g/cm3～6.2g/cm3(本实施例为6.2g/cm3)，电阻率为1μΩm～26μΩm(本实施例为5μΩm)，肖式硬度为40～85(本实施例为45)，抗弯强度为35Mpa～150Mpa(本实施例为65Mpa)。
其生产工艺包括以下步骤：
(1)开松成网：按配比选取6mm～70mm长的短炭纤维，经开松设备开松成蓬松的单根状纤维，然后把开松好的炭纤维经气流成网和/或梳理成网(本实施例采用气流成网和梳理成网)，再利用铺网机铺成纤维网，预刺成网胎，所述网胎的面密度为60g/m2；
(2)叠层针刺复合：把经步骤(1)所得的网胎平铺在工作台上，在其上面铺层炭布，然后再铺层网胎，通过针刺使其复合，如此重复制成所需要求的炭/炭复合材料预制件，所述炭布的面密度为260g/m2；
(3)增密：将步骤(2)所得的预制件增密成所需密度和孔隙度的坯体；
增密工艺采用但不限于化学气相渗透(沉积)，控制增密条件可制得所需要求(通常为孔隙度)的坯体。
(4)渗铜：将步骤(3)所得坯体和按配比选取的铜放入真空熔炼炉中，使铜渗入坯体之中制成炭/炭/铜复合材料。
本发明在步骤(2)中，针刺工艺为针刺深度13mm；针刺密度10次/cm2。
本发明在步骤(4)中，首先将真空熔炼炉升温使铜熔化，在通入惰性气体，加压至1.2×105Pa～3×105Pa(本实施例为2×105Pa)情况下，使铜液渗入到坯体中制成炭/炭/铜复合材料。
控制坯体孔隙度和渗铜工艺参数可制取不同铜含量的炭/炭/铜复合材料。
制成的炭/炭/铜复合材料可用于高导电性和耐磨性领域，如制造电机电刷、电力机车滑板等。
实施例4：
以重量100％计，炭/炭复合材料与铜或铜合金(本实施例采用铜-锡合金粉)的重量比为70∶30，所述炭/炭/铜复合材料增密后表观密度为3.0g/cm3，电阻率为15μΩm，抗弯强度为100MPa，肖氏硬度为60。
在步骤(4)中，首先将真空熔炼炉升温使铜-锡合金熔化，在通入惰性气体，加压至2×105Pa情况下，使铜-锡合金液渗入到坯体中制成炭/炭/铜复合材料。
余同实施例3。
制成的炭/炭/铜复合材料可用于高导电性和耐磨性领域，如制造电机电刷、电力机车滑板等。
Claims (3)
1、一种炭/炭/铜复合材料预制件的生产工艺，其中所述的炭/炭/铜复合材料，以重量100％计，炭/炭复合材料与铜或铜合金的重量比为15～75∶85～25，其特征是包括以下步骤：
(1)开松成网：按配比选取6mm～70mm长的短炭纤维，经开松设备开松成蓬松的单根状纤维，然后把开松好的炭纤维经气流成网和/或梳理成网，再利用铺网机铺成纤维网，预刺成网胎，所述网胎的面密度为50g/m2～100g/m2；
(2)叠层针刺复合：把经步骤(1)所得的网胎平铺在工作台上，将按配比选取的铜粉或铜合金粉均匀撒于网胎上，然后铺层炭布，再在炭布上面铺层网胎，通过针刺，包裹固定铜粉或铜合金粉，如此重复制成所需要求的炭/炭/铜复合材料预制件，所述炭布的面密度为200g/m2～300g/m2；
(3)增密：将步骤(2)所得的预制件增密。
2、根据权利要求1所述炭/炭/铜复合材料预制件的生产工艺，其特征是在步骤(2)中，针刺工艺为针刺深度7～15mm；针刺密度3～10次/cm2。
3、根据权利要求1所述炭/炭/铜复合材料预制件的生产工艺，其特征是步骤(2)为把经步骤(1)所得的网胎平铺在工作台上，将按配比选取的铜粉或铜合金粉均匀撒于网胎上，再铺层网胎，通过针刺，包裹固定铜粉或铜合金粉，如此重复制成所需要求的炭/炭/铜复合材料预制件。
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