CN101403079B - 碳/碳-铜复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
碳/碳-铜复合材料的制备方法，主要包括碳/碳复合材料坯体的制备，铜合金的感应熔炼、浇铸，采用热等静压对碳/碳坯体材料渗铜。本发明采用热等静压渗铜工艺，适用于碳毡及碳纤维针刺整体毡增强碳/碳复合材料坯体的均匀渗铜；通过添加Cr、Ti、Ni改善铜合金熔体对碳/碳复合材料的润湿性能；采用本发明，可将尺寸为100mm×100mm×35mm，表观密度为1.4g/cm3的针刺整体毡增强碳/碳复合材料坯体，均匀渗铜至表观密度为4.2g/cm3。
Description
技术领域 本发明涉及一种碳/碳-铜复合材料的制备方法。
背景技术 碳铜复合材料具有优良的热稳定性和导电、导热性，在无油润滑条件下具有良好的减摩和抗磨性能，作为摩擦材料、电接触材料等，在航空、汽车、仪表和家用电器等领域具有广阔的应用前景。碳/碳-铜复合材料是一种特殊的碳铜复合材料，其增强剂碳纤维预制体的结构可预先设计。
碳铜复合材料的制备方法主要有粉末冶金法、搅拌铸造法、压力铸造法、无压金属浸渗法等。粉末冶金法以碳粉末或短碳纤维、铜粉末为原料，采用压制、烧结工艺制备碳铜复合材料，该方法不适用于连续纤维增强碳/碳-铜复合材料的制备；搅拌铸造法通过搅拌在铜液中添加碳粉末或短碳纤维，也不适用于连续纤维增强碳/碳-铜复合材料的制备；压力铸造法采用机械加压方式，将铜液压入碳坯体制备碳铜复合材料，由于机械压力具有方向性，难以保证铜液在坯体中的分布均匀性；无压金属浸渗法借助合金法改善铜液对碳的润湿性，使铜液渗入碳坯体，制备碳铜复合材料，但由于铜液的自由渗入深度有限，难以制备较大尺寸部件。
发明内容 本发明的目的是提供一种连续纤维增强碳/碳-铜复合材料的制备方法。
本发明采用的技术方案如下：
碳/碳-铜复合材料的制备方法，主要包括：
1、碳/碳复合材料坯体的制备，包括如下步骤：
1)以碳毡或碳纤维针刺整体毡为预制体，碳纤维预制体的表观密度为0.1g/cm3～0.7g/cm3；
2)采用化学气相沉积方法制备碳/碳复合材料坯体，坯体的表观密度为0.7g/cm3～1.4g/cm3；
3)在2000℃～2500℃、氩气保护下对碳/碳复合材料坯体实施石墨化处理；
4)超声清洗碳/碳复合材料坯体并烘干。
2、铜合金制备，包括如下步骤：
1)按合金元素重量百分比：Cu 80％～96％、Cr 1％～12％、Ti 0％～10％、Ni 0％～8％配制合金原料；
2)在1300℃～1500℃、小于10Pa的真空度下感应熔炼、浇铸成锭，并分割成尺寸为20mm×20mm×20mm的方块。
3、碳/碳-铜复合材料的制备，包括如下步骤：
1)将碳/碳复合材料坯体和铜合金块同置于石墨容器中，再将石墨容器置于热等静压炉中；
2)随炉升温至1300℃～1500℃，控制升温速度为5℃/min～20℃/min、炉压小于10Pa；
3)在1300℃～1500℃，通入氩气加压至3MPa～9MPa，保温5min～30min；
4)随炉冷却至500℃后，撤压，至200℃出炉，即得本发明之碳/碳-铜复合材料。
本发明具有如下优点和积极效果：
1、采用热等静压渗铜工艺，适用于碳毡及碳纤维针刺整体毡增强碳/碳复合材料坯体的均匀渗铜。
2、通过添加Cr、Ti、Ni改善铜合金熔体对碳/碳复合材料的润湿性能。
3、采用本发明，可将尺寸为100mm×100mm×35mm，表观密度为1.4g/cm3的针刺整体毡增强碳/碳复合材料坯体，均匀渗铜至表观密度为4.2g/cm3。
具体实施方式
结合本发明的内容提供以下八个实施例：
实施例1
首先，选取表观密度为0.1g/cm3的碳毡，采用化学气相沉积方法制备表观密度为0.7g/cm3的碳/碳复合材料坯体；坯体经2000℃、氩气保护石墨化处理后超声清洗并烘干。其次，按合金元素重量百分比：Cu 96％、Cr 4％配制合金原料，在1400℃～1500℃、小于10Pa的真空度下感应熔炼、浇铸成锭，并分割成尺寸为20mm×20mm×20mm的方块。最后，将碳/碳复合材料坯体和铜合金块同置于石墨容器中，再将石墨容器置于热等静压炉中；控制升温速度为5℃/min、炉压小于10Pa，升温至1380℃；再通入氩气加压至8Mpa，保温30min后，随炉冷却至500℃，撤压，至200℃出炉，即得本发明之碳/碳-铜复合材料。
实施例2
首先，选取表观密度为0.2g/cm3的碳毡，采用化学气相沉积方法制备表观密度为0.9g/cm3的碳/碳复合材料坯体；坯体经2200℃、氩气保护石墨化处理后超声清洗并烘干。其次，按合金元素重量百分比：Cu 94％、Cr 1％、Ti5％配制合金原料，在1300℃～1400℃、小于10Pa的真空度下感应熔炼、浇铸成锭，并分割成尺寸为20mm×20mm×20mm的方块。最后，将碳/碳复合材料坯体和铜合金块同置于石墨容器中，再将石墨容器置于热等静压炉中；控制升温速度为15℃/min、炉压小于10Pa，升温至1320℃；再通入氩气加压至5MPa，保温15min后，随炉冷却至500℃，撤压，至200℃出炉，即得本发明之碳/碳-铜复合材料。
实施例3
首先，选取表观密度为0.5g/cm3的针刺整体碳毡，采用化学气相沉积方法制备表观密度为1.2g/cm3的碳/碳复合材料坯体；坯体经2300℃、氩气保护石墨化处理后超声清洗并烘干。其次，按合金元素重量百分比：Cu 88％、Cr 12％、配制合金原料，在1400℃～1500℃、小于10Pa的真空度下感应熔炼、浇铸成锭，并分割成尺寸为20mm×20mm×20mm的方块。最后，将碳/碳复合材料坯体和铜合金块同置于石墨容器中，再将石墨容器置于热等静压炉中；控制升温速度为10℃/min、炉压小于10Pa，升温至1450℃；再通入氩气加压至3MPa，保温20min后，随炉冷却至500℃，撤压，至200℃出炉，即得本发明之碳/碳-铜复合材料。
实施例4
首先，选取表观密度为0.7g/cm3的针刺整体碳毡，采用化学气相沉积方法制备表观密度为1.4g/cm3的碳/碳复合材料坯体；坯体经2500℃、氩气保护石墨化处理后超声清洗并烘干。其次，按合金元素重量百分比：Cu 89％、Cr 1％、Ti 10％配制合金原料，在1300℃～1400℃、小于10Pa的真空度下感应熔炼、浇铸成锭，并分割成尺寸为20mm×20mm×20mm的方块。最后，将碳/碳复合材料坯体和铜合金块同置于石墨容器中，再将石墨容器置于热等静压炉中；控制升温速度为20℃/min、炉压小于10Pa，升温至1300℃；再通入氩气加压至9MPa，保温10min后，随炉冷却至500℃，撤压，至200℃出炉，即得本发明之碳/碳-铜复合材料。
实施例5
首先，选取表观密度为0.1g/cm3的碳毡，采用化学气相沉积方法制备表观密度为0.7g/cm3的碳/碳复合材料坯体；坯体经2000℃、氩气保护石墨化处理后超声清洗并烘干。其次，按合金元素重量百分比：Cu 87％、Cr 3％、Ti 5％、Ni 5％配制合金原料，在1400℃～1500℃、小于10Pa的真空度下感应熔炼、浇铸成锭，并分割成尺寸为20mm×20mm×20mm的方块。最后，将碳/碳复合材料坯体和铜合金块同置于石墨容器中，再将石墨容器置于热等静压炉中；控制升温速度为10℃/min、炉压小于10Pa，升温至1400℃；再通入氩气加压至5MPa，保温15min后，随炉冷却至500℃，撤压，至200℃出炉，即得本发明之碳/碳-铜复合材料。
实施例6
首先，选取表观密度为0.2g/cm3的碳毡，采用化学气相沉积方法制备表观密度为0.9g/cm3的碳/碳复合材料坯体；坯体经2200℃、氩气保护石墨化处理后超声清洗并烘干。其次，按合金元素重量百分比：Cu 81％、Cr 5％、Ti6％、Ni 8％配制合金原料，在1300℃～1500℃、小于10Pa的真空度下感应熔炼、浇铸成锭，并分割成尺寸为20mm×20mm×20mm的方块。最后，将碳/碳复合材料坯体和铜合金块同置于石墨容器中，再将石墨容器置于热等静压炉中；控制升温速度为15℃/min、炉压小于10Pa，升温至1410℃；再通入氩气加压至4MPa，保温6min后，随炉冷却至500℃，撤压，至200℃出炉，即得本发明之碳/碳-铜复合材料。
实施例7
首先，选取表观密度为0.5g/cm3的针刺整体碳毡，采用化学气相沉积方法制备表观密度为1.2g/cm3的碳/碳复合材料坯体；坯体经2300℃、氩气保护石墨化处理后超声清洗并烘干。其次，按合金元素重量百分比：Cu 85％、Cr 5％、Ti 3％、Ni 7％配制合金原料，在1400℃～1500℃、小于10Pa的真空度下感应熔炼、浇铸成锭，并分割成尺寸为20mm×20mm×20mm的方块。最后，将碳/碳复合材料坯体和铜合金块同置于石墨容器中，再将石墨容器置于热等静压炉中；控制升温速度为10℃/min、炉压小于10Pa，升温至1390℃；再通入氩气加压至9MPa，保温10min后，随炉冷却至500℃，撤压，至200℃出炉，即得本发明之碳/碳-铜复合材料。
实施例8
首先，选取表观密度为0.7g/cm3的针刺整体碳毡，采用化学气相沉积方法制备表观密度为1.4g/cm3的碳/碳复合材料坯体；坯体经2500℃、氩气保护石墨化处理后超声清洗并烘干。其次，按合金元素重量百分比：Cu 82％、Cr 6％、Ti 6％、Ni 6％配制合金原料，在1300℃～1500℃、小于10Pa的真空度下感应熔炼、浇铸成锭，并分割成尺寸为20mm×20mm×20mm的方块。最后，将碳/碳复合材料坯体和铜合金块同置于石墨容器中，再将石墨容器置于热等静压炉中；控制升温速度为15℃/min、炉压小于10Pa，升温至1410℃；再通入氩气加压至6MPa，保温8min后，随炉冷却至500℃，撤压，至200℃出炉，即得本发明之碳/碳-铜复合材料。
Claims (1)
1.碳/碳-铜复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
1)、碳/碳复合材料坯体的制备：
a)以碳纤维针刺整体毡为预制体，碳纤维预制体的表观密度为0.1g/cm3～0.7g/cm3；
b)采用化学气相沉积方法制备碳/碳复合材料坯体，坯体的表观密度为0.7g/cm3～1.4g/cm3；
c)在2000℃～2500℃、氩气保护下对碳/碳复合材料坯体实施石墨化处理；
d)超声清洗碳/碳复合材料坯体并烘干；
2)、铜合金的制备：
a)按合金元素重量百分比：Cu 80％～96％、Cr 1％～12％、Ti 0％～10％、Ni 0％～8％配制合金原料；
b)在1300℃～1500℃、小于10Pa的真空度下感应熔炼、浇铸成锭，并分割成尺寸为20mm×20mm×20mm的方块；
3)、碳/碳-铜复合材料的制备
a)将碳/碳复合材料坯体和铜合金块同置于石墨容器中，再将石墨容器置于热等静压炉中；
b)随炉升温至1300℃～1500℃，控制升温速度为5℃/min～20℃/min、炉压小于10Pa；
c)在1300℃～1500℃，通入氩气加压至3MPa～9MPa，保温5min～30min；
d)随炉冷却至500℃后，撤压，至200℃出炉，即得本发明之碳/碳-铜复合材料。
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