CN108517435B - 一种磁浮列车用纳米碳增强铜基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米碳增强铜基复合材料，其特征在于：经过表面改性的碳纳米管0.1~5%、经过表面改性的石墨烯0.1~5%、石墨粉末2~10%、铬粉末1~4%、铅粉末1~8%、锡粉末2~10%、锆粉末0.1~1%、镧粉末0.01~0.5%、余量为铜粉末；其中经过表面改性的碳纳米管是将碳纳米管采用没食子酸水溶液改性得到的碳纳米管，经过表面改性的石墨烯是将石墨烯采用芦丁水溶液改性得到的石墨烯。本发明铜基复合材料杂质含量低，且保持添加增强相成分结构完整，多种添加成分能够发挥共增强作用，显著提高了铜基复合材料的强度、硬度和载流摩擦磨损性能。另外，本发明还公开了一种上述铜基复合材料制备方法，该方法工艺简单，易于生产，具有广阔的应用前景。

Description

一种磁浮列车用纳米碳增强铜基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铜基复合材料，特别涉及一种纳米碳增强铜基复合材料及其制备方法，属于复合材料的制备技术领域。
背景技术
自碳纳米管和石墨烯分别被发现以来，便受到广大学者的研究，碳纳米管由于其独特的结构而具有优异的光学、热学、电学和力学等性能，具有极高的机械强度和理想的弹性，低的热膨胀系数，尺寸小等优良的特性；石墨烯具有高的强度，大的比表面积和较好的延伸率。碳纳米管和石墨烯都是作为复合材料增强相的理想材料。
碳纳米管和石墨烯被广泛地作为复合材料的增强相，并且在聚合物基复合材料方面取得了快速的发展。在金属基复合材料中，铜基复合材料以其优异的导电、导热等性能而被广泛作为电子材料、滑块材料、触头材料、热交换材料等。因此，纳米碳在增强铜基复合材料方面备受关注。
但是，碳纳米管和石墨烯应用在增强金属基复合材料中还存在许多困难。一方面，由于碳纳米管和石墨烯都是纳米材料，具有极大的比表面积和比表面能，存在很大的范德华力，很容易团聚缠结，在金属基体中难以均匀分散。另一方面，碳纳米管和石墨烯的表面活性比较低，与金属基体的润湿性差，因此碳纳米管和石墨烯与金属基体之间的界面结合强度差。这些因素严重影响了金属基复合材料的力学、电学、摩擦磨损等性能。
为了解决上述问题，化学镀和分子水平混合法等制备方法被提出并得到大量研究，但这些方法工艺复杂，能耗大，并且在前期处理过程对碳纳米管和石墨烯的结构有一定的破坏作用，将会削弱其增强效果。
碳纳米管和石墨烯都是理想的增强材料，但一维的碳纳米管与二维的石墨烯的增强机理有有所不同，将两者混合作为增强相，可以将二者的优势结合，提高对铜基复合材料的增强效果。
中国专利申请201410354188.x公开了一种碳纳米管增强铜基复合材料及其制备方法，首先采用没食子酸水溶液对碳纳米管进行改性，然后与铜粉末、石墨粉末和Ti3SiC2粉末进行球磨，热压烧结得到该碳纳米管增强铜基复合材料。但是由于热压烧结时压力加载方向是单向的，导致铜基复合材料具有一定的各向异性，在不同方向上性能存在差异。
中国专利申请201510537320.5公开了一种制备石墨烯增强铜基复合材料的方法，首先制备氧化石墨烯，表面改性，然后制备氧化石墨烯-铜复合粉末，最后热压烧结得到所述铜基复合材料。但是，由于热压烧结时压力加载方向是单向的，导致铜基复合材料具有一定的各向异性，而且单一石墨烯作为增强相对铜基复合材料的增强效果单一。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的碳纳米管和石墨烯应用于复合材料中，难以与基体材料充分配合完全发挥其增强功效的问题，提供一种纳米碳增强铜基复合材料。
本发明增强铜基复合材料充分发挥各种原料成分的增强作用，提高了复合材料强度和载流摩擦磨损，使得铜基复合材料实现更好的综合性能，进而满足不同应用条件的需求。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种纳米碳增强铜基复合材料，包括重量百分比的如下成分制成：
经过表面改性的碳纳米管0.1～5％、经过表面改性的石墨烯0.1～5％、石墨粉末2～10％、铬粉末1～4％、铅粉末1～8％、锡粉末2～10％、锆粉末0.1～1％、镧粉末0.01～0.5％、余量为铜粉末。
其中，所述经过表面改性的碳纳米管是采用没食子酸溶液改性的碳纳米管。
所述经过表面改性的石墨烯是采用芦丁溶液改性的石墨烯。
本发明铜基复合材料结合了两种碳纳米材料作为纳米增强相，并配合石墨粉末和多种金属粉末原料设计得到全新的铜基合金与纳米碳材料的复合增强材料。经过改性优化，碳纳米管和石墨烯分散性好，添加应用于复合材料中能够很好的发挥其增强作用，然后，复合增强材料的整体原料成分配合比例关系设计经过大量优化调整，最终使得材料的综合性能达到最优，能够实现载流磨损极低的效果，可以更好的应用于特殊载流摩擦工件制造中。
经过发明人大量的试验研究表明，当铜基复合材料中各组分的重量百分比为上述比例时，各组分的性能可产生共增强的作用。一方面，碳纳米管和石墨烯与铜基体之间形成较好的界面结合，增强效果显著提高；另一方面，充分发挥石墨自润滑作用，改变铜的载流摩擦磨损机制，由纯铜的粘着磨损转变为复合材料的磨粒磨损；并且，调整控制碳纳米管、石墨烯和石墨粉末的用量比例，还能够在摩擦副之间形成碳膜，从而起到减磨作用。而其他成分，铬粉末、铅粉末、锡粉末、锆粉末和镧粉末的加入比例经过优化，一方面能够与铜基体形成固溶体，实现固溶强化作用，另一方面，能够调整/减小铜基体晶粒尺寸，起到细晶强化作用，优化铜基复合材料在摩擦副之间的磨损消耗机理，显著降低磨损速度。
进一步，所述经过表面改性的碳纳米管是采用没食子酸溶液改性的碳纳米管，碳纳米管和没食子酸的质量比为1:0.5-8，没食子酸以溶解在没食子酸溶液中的没食子酸质量计。优选地，碳纳米管和没食子酸的质量比为1:2-6，适宜的没食子酸质量比，确保改性过程中吸附于碳纳米管上的没食子酸总量适宜，使得分散效果和降低性能影响相互均衡。
没食子酸，又称五倍子酸，其化学式为C6H2(OH)3COOH，属于多酚类物质。没食子酸中连接在苯环上的羟基具有极强的活性，与碳纳米管表面发生结合，对碳纳米管进行表面修饰；没食子酸还可以通过非化学作用吸附于碳纳米管表面。二者相互作用既有助于提高碳纳米管的分散性，又不会对碳纳米管产生剪切作用，造成化学损伤。
优选地，所述没食子酸溶液是1％-100％饱和的没食子酸溶液。
优选地，没食子酸溶液是没食子酸水溶液。
将没食子酸预先溶解在溶液中，然后使之与碳纳米管发生相互吸引，进行均匀吸附改性，碳纳米管改性更加充分，分散效果更好。所述1％-100％是以没食子酸溶液的饱和溶液作为100％浓度进行计算的，1％的浓度相对于没食子酸溶液的饱和溶液稀释100倍以后的溶液。
优选地，所述没食子酸溶液是20％-100％浓度的没食子酸溶液。选择浓度适宜的没食子酸溶液，较高的溶液浓度有利于溶液中没食子酸更好的和碳纳米管相互作用，实现改性。
优选地，所述碳纳米管的质量与没食子酸水溶液的体积比为0.05～0.4g:20～80mL，优选为0.05～0.2g:30～50mL；更优选，所述碳纳米管的质量与没食子酸水溶液的体积比为0.1g:40mL。所述没食子酸水溶液的浓度是0.3-1.15g/100mL。
进一步，所述经过表面改性的石墨烯是采用芦丁溶液改性的石墨烯，石墨烯和芦丁的质量比为1:0.5-8。芦丁以溶解在溶液中的芦丁质量计。适量芦丁对石墨烯形成适当的改性强度。
芦丁，又称芸香甙、维生素P，是黄酮醇的典型代表。芦丁由于芳香结构的存在可以与石墨烯表面发生π-π共轭相互作用，吸附在石墨烯表面，在石墨烯表面嫁接活性基团，改善分散性能；另一方面，芦丁自身的酚羟基可以与石墨烯表面的缺陷位点相互作用，进而修饰石墨烯表面，同时由于羟基等活性基团的存在还可在表面嫁接更多的活性基团及生物功能大分子。两方面的共同作用更有利于提高石墨烯的分散性能，且不坏破坏石墨烯的完整结构。
优选地，所述芦丁溶液是芦丁水溶液。
优选地，所述芦丁溶液是1％-100％饱和的芦丁溶液。芦丁溶液的浓度是相对于100％饱和芦丁溶液的相对比例。优选地，芦丁溶液是20％-100％饱和的芦丁溶液。
进一步，所述石墨烯的质量与芦丁水溶液的体积比为0.05～0.4g：20～80mL。优选为0.05～0.2g：30～50mL。所述芦丁水溶液的浓度是0.3-1.2g/100mL。更优选，所述石墨烯的质量与芦丁水溶液的体积比为0.1g:40mL。
经过表面改性的碳纳米管是将碳纳米管和经过表面改性的石墨烯具有分散性好、杂质含量低的特点，且保持了完整的结构。
进一步，所述经过表面改性的碳纳米管是采用没食子酸溶液改性的碳纳米管，所述经过表面改性的石墨烯是采用芦丁溶液改性的石墨烯。
改性过程如下：将碳纳米管投入没食子酸溶液中，超声分散，静置，过滤，干燥，得到改性的碳纳米管。
将石墨烯投入芦丁溶液中，超声分散，静置，过滤，干燥，得到改性的石墨烯。
优选地，所述超声分散时间为20～40min，所述静止时间为12～36h，所述真空干燥温度为60℃～80℃，所述真空干燥的时间为1～8h。
优选地，所述超声分散时间为20～30min，所述静止时间为18～30h，所述真空干燥温度为60℃～70℃，所述真空干燥的时间为1～4h。
优选地，所述超声分散时间为30min，所述静止时间为24h，所述真空干燥温度为60℃，所述真空干燥的时间为2h。
上述的碳纳米管和石墨烯改性方法中，采用全新的物理吸附、化学吸附综合的改性方法，高效可靠，不产生废水、废酸等污染物，工艺简单，易于生产，改性效果稳定可靠。
进一步，所述纳米碳增强铜基复合材料，包括重量百分比的如下成分制成：经过表面改性的碳纳米管0.1～2％、经过表面改性的石墨烯0.1～2％、石墨粉末5～8％、铬粉末1～3％、铅粉末2～5％、锡粉末5～8％、锆粉末0.2～0.6％、镧粉末0.01～0.2％、余量为铜粉末。
进一步，所述纳米碳增强铜基复合材料，包括重量百分比的如下成分制成：经过表面改性的碳纳米管0.4-1.0％、经过表面改性的石墨烯0.2-0.4％、石墨粉末6-7％、铬粉末1.5-2.5％、铅粉末3.5-4.5％、锡粉末6-7％、锆粉末0.3-0.5％、镧粉末0.05-0.13％、余量为铜粉末。
进一步，所述纳米碳增强铜基复合材料，包括重量百分比的如下成分制成：经过表面改性的碳纳米管0.8％、经过表面改性的石墨烯0.2％、石墨粉末6.5％、铬粉末2％、铅粉末4％、锡粉末6％、锆粉末0.4％、镧粉末0.1％、余量为铜粉末。
本发明的另一目的是提供一种制备上述增强铜基复合材料的方法，通过优化设计铜基复合材料的制备方法，确保制备各种原料成分配合得到铜基复合材料的性能表现更好的达到设计预期水平，满足设计应用需求。
一种铜基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将碳纳米管加入到没食子酸水溶液中，超声分散，静止，过滤，取滤渣进行真空干燥，获得经过表面改性的碳纳米管；
将石墨烯加入到芦丁水溶液中，超声分散，静止，过滤，取滤渣进行真空干燥，获得经过表面改性的石墨烯；
(3)将经过表面改性的碳纳米管、经过表面改性的石墨烯、铜粉末、石墨粉末、铬粉末、铅粉末、锡粉末、锆粉末和镧粉末混合，进行球磨，得到复合粉末；
(4)将复合粉末进行冷压成型，得到复合材料压坯；
(5)将复合材料压坯进行热等静压烧结，冷却，得到纳米碳增强铜基复合材料。
本发明制备铜基复合材料方法中将碳纳米管和石墨烯先进行相应的改性处理使之转化为具有良好分散性的碳纳米材料，然后和其他原料混合球磨，使得各种原料成分充分作用形成混合物料，最后将复合粉末冷压成型、热等静压烧结，获得纳米碳增强铜基复合材料。整个制备方法简单易行，针对性强，对于纳米碳材料的预处理转化效率高，在球磨混合物料的时候，碳纳米材料的充分均匀分散，其增强作用得到最大化的体现和发挥，最终复合材料的整体性质表现达到设计预期，机械强度更高、综合耐磨性更加优秀。
进一步，所述步骤(3)中球磨采用玛瑙球和玛瑙球罐，球磨转速为200～450转/min，球磨时间为40～120min。
优选地，所述步骤(3)中球磨采用玛瑙球和玛瑙球罐，球磨转速为300～400转/min，球磨时间为40～90min。优化调整球磨转速和球磨时间，更好的实现球磨混料效果，使得各种原料混合均匀度，原料成分的稳定性更佳，更有利于最终烧结成型复合材料品质提升。更优选地，所述步骤(3)中球磨采用玛瑙球和玛瑙球罐，球磨转速为350转/min，球磨时间为60min。
进一步，所述步骤(4)中冷压成型压制的压力为400～700MPa。
结合发明人多次试验研究，冷压成型压力达到上述范围内，可以确保复合粉末原料压制紧致，整体烧结后的物料致密性好，机械强度高。优选地，所述步骤(4)中冷压成型压制的压力为500～600MPa。
更优选地，所述步骤(4)中冷压成型压制的压力为600MPa。
进一步，所述步骤(5)中热等静压烧结的温度为800～1000℃，热等静压烧结的压力为80～100MPa，热等静压烧结的时间为1～3h。经过发明人多次试验研究，在热等静压烧结过程中，采用上述烧结温度、压力、时间参数，最有利于实现复合材料最终成型效果，烧结所得复合材料致密度、内聚力最佳。
优选地，所述步骤(5)中热等静压烧结的温度为850～950℃，热等静压烧结的压力为90～100MPa，热等静压烧结的时间为1～2h。结合发明试验情况，优选上述热等静压烧结温度、压力、时间参数，烧结成型复合材料中增强相和基体交错分布均匀，元素相互扩散，增强相的功效作用得到提升。更优选地，所述步骤(5)中热等静压烧结的温度为900℃，热等静压烧结的压力为100MPa，热等静压烧结的时间为2h。
本发明提供的新技术方案主要能够实现以下技术效果：
1.本发明纳米碳增强铜基复合材料原料成分经过发明人长期研究迭代，提出全新的优化的成分应用以及配合比例关系，使得铜基复合材料的机械强度、耐磨性、载流磨损等多方面性能得到全面的优化，满足磁悬浮列车导电构件应用要求。
2.本发明所述铜基复合材料的制备原料成分经过全新的优选设计、各组分含量比例相互关联的调整，使得铜基复合材料原料成分能够产生协同配合共增强作用，改变了铜基复合材料中金属材料基体的金相，形成了全新的合金基础相，配合纳米碳增强作用，显著提高了铜基复合材料的强度和载流摩擦磨损等性能，降低了其密度。
3.本发明纳米碳增强铜基复合材料中，具体的将碳纳米管和石墨烯分别进行表面改性，与未经改性碳纳米材料相比，具有更好的分散性、更低的杂质含量，并保持了碳纳米管和石墨烯结构完整性，应用于复合材料中的增强效果好，充分发挥纳米材料的性能优势特点。
4.本发明提供铜基复合材料制备方法，配合全新优化设计的配方组成以及配合比例，采用热等静压工艺烧结成型，充分发挥原料成分配方对于铜基复合材料性能的增强作用，并控制烧结过程中各方向所受压力相等，得到结构均匀致密的铜基复合材料，有效发挥新材料的综合性能优势。
附图说明：
图1是球磨后复合粉末的SEM图(×3000倍)。
图2是纳米碳增强铜基复合材料的BSE图(×1000倍)。
图3是纳米碳增强铜基复合材料基体的EDS结果。
图4是纳米碳增强铜基复合材料的压缩断口的SEM图(×80000倍)。
图5是纳米碳增强铜基复合材料的剪切断口的SEM图(×20000倍)。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。本发明实例中涉及的碳纳米管和石墨烯购于中国科学院传递有机化学有限公司。
<实施例1>
改性碳纳米管
将碳纳米管按加入到10μg/mL的没食子酸水溶液中，超声分散30min，其中碳纳米管的重量与没食子酸水溶液的体积之比为0.1g:40mL；静置24h后过滤，去滤渣在60℃下真空干燥2h，得到经过表面改性的碳纳米管。
通过对比经过表面改性的碳纳米管与未经过表面改性的碳纳米管的形貌特征，发现未经过表面改性的碳纳米管呈团絮状或束状，分散性差；经过表面改性的碳纳米管表面光洁，可以观察到许多单个的碳纳米管，且长径比变化不大。
将本实施例1中制备的经表面处理的碳纳米管0.1g均匀分散在100mL去离子水中，静置5天后，在重力作用下沉淀逐渐增多，但碳纳米管之间仍然保持分散状态；同时以未经过表面改性的碳纳米管作对比，静置1天后即开始出现沉淀，且发生团聚。表明实施例1制备的经过表面改性的碳纳米管具有优异的分散性。
<实施例2>
改性碳纳米管
根据实施例1的方法，改变没食子酸水溶液的浓度为5μg/mL、15μg/mL，其余均与实施例1相同，分别得到表面改性的碳纳米管。
将本实施例2中制备的分别经浓度为5μg/mL、15μg/mL的没食子酸水溶液表面处理的碳纳米管0.1g均匀分散在100mL去离子水中，静置2～3天后，在重力作用下沉淀逐渐增多，但碳纳米管之间仍然保持分散状态。
结合实施例1和实施例2的结果，经没食子酸水溶液表面改性后的碳纳米管分散性好，杂质含量降低；且当没食子酸水溶液的浓度为10μg/mL时表面改性的效果最好。
<实施例3>
改性石墨烯
将石墨烯按加入到0.02μg/mL的芦丁水溶液中，超声分散30min，其中石墨烯的重量与芦丁水溶液的体积之比为0.1g:40mL；静置24h后过滤，去滤渣在60℃下真空干燥2h，得到经过表面改性的石墨烯。
通过对比经过表面改性的石墨烯与未经过表面改性的石墨烯的SEM图，发现未经过表面改性的石墨烯呈团絮状或束状，分散性差；经过表面改性的石墨烯表面光洁，可以观察到许多单个的石墨烯，且尺寸变化不大。
将本实施例3中制备的经表面处理的石墨烯0.1g均匀分散在100mL去离子水中，静置5天后，在重力作用下沉淀逐渐增多，但石墨烯之间仍然保持分散状态；同时以未经过表面改性的石墨烯作对比，静置1天后即开始出现沉淀，且发生团聚。表明实施例3制备的经过表面改性的石墨烯具有优异的分散性。
<实施例4>
改性石墨烯
根据实施例3的方法，改变没食子酸水溶液的浓度为0.01μg/mL、0.04μg/mL，其余均与实施例3相同，分别得到表面改性的碳纳米管。
将本实施例4中制备的分别经浓度为0.01μg/mL、0.04μg/mL的没食子酸水溶液表面处理的碳纳米管0.1g均匀分散在100mL去离子水中，静置2～3天后，在重力作用下沉淀逐渐增多，但碳纳米管之间仍然保持分散状态。
结合实施例3和实施例4的结果，经没食子酸水溶液表面改性后的碳纳米管分散性好，杂质含量降低；且当没食子酸水溶液的浓度为0.02μg/mL时表面改性的效果最好。
<实施例5>
铜基复合材料
(1)取实施例1中的经过表面改性的碳纳米管；(2)按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将1份经过表面改性的碳纳米管、6.5份石墨粉末、2份铬粉末、4份铅粉末、6份锡粉末、0.4份锆粉末、0.1份镧粉末和80份铜粉末进行球磨混粉，转速为350转/min，球磨时间为50min；(3)将复合粉末进行冷压成型，压力为600MPa；(4)将得到的块体材料进行热等静压2h，热等静压烧结温度为900℃，压力为100MPa，快冷，得到纳米碳增强铜基复合材料。
<实施例6>
铜基复合材料
取实施例3中的经过表面改性的石墨烯；(2)按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将1份经过表面改性的石墨烯、6.5份石墨粉末、2份铬粉末、4份铅粉末、6份锡粉末、0.4份锆粉末、0.1份镧粉末和80份铜粉末进行球磨混粉，转速为300转/min，球磨时间为60min；(3)将复合粉末进行冷压成型，压力为600MPa；(4)将得到的块体材料进行热等静压2h，热等静压烧结温度为900℃，压力为90MPa，快冷，得到纳米碳增强铜基复合材料。
<实施例7>
铜基复合材料
取实施例1中的经过表面改性的碳纳米管，取实施例3中的经过表面改性的石墨烯；(2)按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将0.5份经过表面改性的碳纳米管、0.5份经过表面改性的石墨烯、6.5份石墨粉末、2份铬粉末、4份铅粉末、6份锡粉末、0.4份锆粉末、0.1份镧粉末和80份铜粉末进行球磨混粉，转速为350转/min，球磨时间为60min；(3)将复合粉末进行冷压成型，压力为600MPa；(4)将得到的块体材料进行热等静压2h，热等静压烧结温度为900℃，压力为100MPa，快冷，得到纳米碳增强铜基复合材料。
<实施例8>
铜基复合材料
取实施例1中的经过表面改性的碳纳米管，取实施例3中的经过表面改性的石墨烯；(2)按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将0.8份经过表面改性的碳纳米管、0.1份经过表面改性的石墨烯、6.5份石墨粉末、2份铬粉末、4份铅粉末、6份锡粉末、0.4份锆粉末、0.1份镧粉末和80份铜粉末进行球磨混粉，转速为350转/min，球磨时间为60min；(3)将复合粉末进行冷压成型，压力为600MPa；(4)将得到的块体材料进行热等静压2h，热等静压烧结温度为900℃，压力为100MPa，快冷，得到纳米碳增强铜基复合材料。
<对比例1>
铜基复合材料
(1)按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将7.5份石墨粉末、2份铬粉末、4份铅粉末、6份锡粉末、0.4份锆粉末、0.1份镧粉末和80份铜粉末进行球磨混粉，转速为350转/min，球磨时间为60min；(2)将复合粉末进行冷压成型，压力为600MPa；(3)将得到的块体材料进行热等静压2h，热等静压烧结温度为900℃，压力为100MPa，快冷，得到铜基复合材料。
<对比例2>
铜基复合材料
(1)按重量份计，将2份实施例1制备的改性碳纳米管、0.5份实施例3制备的改性石墨烯、5份石墨粉末、3份铬粉末、3.5份铅粉末、4份锡粉末、0.2份镧粉末和81.8份铜粉末混合，采用玛瑙球和玛瑙球罐进行球磨混粉，转速为350转/min，球磨时间为60min；(2)将复合粉末进行冷压成型，压力为600MPa；(3)将得到的块体材料进行热等静压2h，热等静压烧结温度为900℃，压力为100MPa，快冷，得到铜基复合材料。
<对比例3>
铜基复合材料
(1)按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将2份实施例1制备的改性碳纳米管、0.5份实施例3制备的改性石墨烯、5份石墨粉末、4份铅粉末、6份锡粉末、0.4份锆粉末、0.1份镧粉末和82份铜粉末进行球磨混粉，转速为350转/min，球磨时间为60min；(2)将复合粉末进行冷压成型，压力为600MPa；(3)将得到的块体材料进行热等静压2h，热等静压烧结温度为900℃，压力为100MPa，快冷，得到铜基复合材料。
<对比例4>
铜基复合材料
(1)按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将2份实施例1制备的改性碳纳米管、0.5份实施例3制备的改性石墨烯、5份石墨粉末、2份铬粉末、10份锡粉末、0.4份锆粉末、0.1份镧粉末和80份铜粉末进行球磨混粉，转速为350转/min，球磨时间为60min；(2)将复合粉末进行冷压成型，压力为600MPa；(3)将得到的块体材料进行热等静压2h，热等静压烧结温度为900℃，压力为100MPa，快冷，得到铜基复合材料。
<对比例5>
铜基复合材料
(1)按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将2份实施例1制备的改性碳纳米管、0.5份实施例3制备的改性石墨烯、5份石墨粉末、3份铬粉末、5份铅粉末、0.4份锆粉末、0.1份镧粉末和84份铜粉末进行球磨混粉，转速为350转/min，球磨时间为60min；(2)将复合粉末进行冷压成型，压力为600MPa；(3)将得到的块体材料进行热等静压2h，热等静压烧结温度为900℃，压力为100MPa，快冷，得到铜基复合材料。
<测试1>
采用电子显微镜等测试上述实施例制备得到的铜基复合材料，部分实施例的测试结果如下：
图1是实施例5中球磨后的复合粉末的SEM图片，图中经过表面改性的碳纳米管均匀分散在铜颗粒之间，片层状的石墨分散镶嵌在铜颗粒之间；由于球磨过程中的机械作用，发生颗粒变形、破裂和冷焊等一系列变化，形成铜颗粒团聚物。
在实施例5～8中，在更高的放大倍数下，可以观察到增强相发生一定的破碎，在一定程度上增强相的尺寸减小，这是由于球磨的机械作用导致的；随着球磨转速和球磨时间的增加，增强相的均匀分散程度增加，但对增强相的破坏也增加，综合考虑，最佳球磨转速为350转/min，球磨60min。
图2是实施例7中所得纳米碳增强铜基复合材料的BSE图片，而图3是图2中铜基体的EDS结果。图2表明纳米碳和石墨与铜基体交错分布，整体分布均匀。图3所示的EDS结果表明铬、铅、锡、锆、镧固溶到铜基体中，在烧结过程中元素相互扩散，均匀分布在基体中。
图4是实施例5制备的铜基复合材料的压缩断口的SEM图片，可以观察到断口上存在一些断裂的和一端镶嵌在基体中的碳纳米管，在其他实施例制备的铜基复合材料的断口上同样观察到破碎的碳纳米管和破碎的石墨烯，而这些破碎的碳纳米管和破碎的石墨烯在铜基复合材料中起着桥连和载荷传递的作用。
图5是实施例7中制备的纳米碳增强铜基复合材料的剪切断口的SEM图(×20000倍)。从剪切断开SEM图可以看出碳纳米管和石墨烯分散镶嵌在铜基体中，起到增强作用；片层状的石墨也镶嵌在铜基体中，由于石墨的自润滑作用，能够显著改善其摩擦磨损性能。
<测试2>
采用阿基米德法测量了上述实施例和对比例所得铜基复合材料的密度、致密度，并测量了其显微维氏硬度、抗压强度和剪切强度，结果如表1所示。
表1实施例5～8和对比例的实验结果
组别 密度 致密度 维氏硬度 抗压强度 剪切强度
实施例5 6.71 93.58 56.86 178.62 77.45
实施例6 6.92 96.51 58.94 194.36 78.64
实施例7 6.62 92.33 56.72 188.15 75.16
实施例8 6.78 94.56 60.12 215.89 82.23
对比例1 6.83 95.13 36.89 126.35 48.12
对比例2 6.68 93.25 42.61 147.63 52.08
对比例3 6.75 94.06 44.32 153.06 56.86
对比例4 6.78 94.82 44.42 149.16 51.40
对比例5 6.61 92.19 40.89 143.25 50.75
表中，各项测试结果的单位如下：密度(g/cm3)、致密度(％)、维氏硬度(HV)、抗压强度(MPa)、剪切强度(MPa)。
由表1结果可知，实施例8制备的铜基复合材料与实施例5～7制备的铜基复合材料相比，显微维氏硬度分别提高了3.26HV、1.18HV、13.4HV，抗压强度分别提高37.27MPa、21.53MPa、107.74MPa，剪切强度分别提高12.78MPa、3.69MPa、10.07MPa。因此实施例8制备的铜基复合材料相对于实施例5～7制备的铜基复合材料，具有更加优异的硬度和强度，实施例8为本发明铜基复合材料的最佳实施方案。
对比例1-5分别缺少部分添加成分，导致铜基复合材料的力学性能显著降低。和实施例5-8制备的全配方制成铜基复合材料相比，由于制备工艺相同，致密度相差不大。维氏硬度最大降低了23.23HV。力学性能中的抗压强度最大降低了89.54MPa、剪切强度降低了34.11MPa。其中，缺少两种纳米碳的铜基复合材料的性能降低最为明显，表明纳米碳的增强作用效果要优于其他成分。
经过对实施例和对比例的性能测试结果分析，只有当铜基复合材料的组成按重量百分比为经过表面改性的碳纳米管0.1～5％、经过表面改性的石墨烯0.1～5％、石墨粉末2～10％、铬粉末1～4％、铅粉末1～8％、锡粉末2～10％、锆粉末0.1～1％、镧粉末0.01～0.5％、余量为铜粉末时，才能达到本发明所述的效果。
<测试3>
将上述实施例和对比例所得铜基复合材料加工制成标准件，测试不同实施例、对比例所得铜基复合材料载流磨损系数，测试方法为在5m·s-1的摩擦速度下，电流强度为20A，压力大小分别为5N、10N、20N、30N和50N，测试所得结果如下表2。
表2实施例5～8和对比例的铜基复合材料载流磨损系数
磨损率 压力5N 压力10N 压力20N 压力30N 压力50N
实施例5 0.24 0.36 0.55 0.80 1.11
实施例6 0.25 0.36 0.58 0.81 1.13
实施例7 0.23 0.35 0.56 0.79 1.16
实施例8 0.19 0.33 0.50 0.73 1.05
对比例1 0.67 0.88 1.03 1.15 1.54
对比例2 0.51 0.69 0.81 0.98 1.32
对比例3 0.52 0.68 0.80 0.95 1.36
对比例4 0.57 0.78 0.93 1.10 1.37
对比例5 0.56 0.62 0.86 1.05 1.34
*磨损率单位，mg·m-1。
由上表测试结果可知本发明实施例制备的铜基复合材料，经过优化设计的配方实现了不同材料相互之间的配合关系优化改善，各组分的性能产生协同增强的作用，显著提高了铜基复合材料的强度和载流摩擦磨损等性能，降低了铜基复合材料的密度。当铜基复合材料在不同于的压力条件下进行测试的时候，材料的磨损系数整体保持在较低水平，不易因为压力的变化而出现大量的磨损增加，表明本发明的铜基复合材料的载流磨损和传统的铜基体导电材料的磨损机理发生了本质变化，综合性能得到大幅度提升。
而对比例方案制备的铜基复合材料，根据不同的成分减少，可以看到不同程度的性能衰减，其磨损机理依然类似于传统铜基体导电材料，会随着载流强度、压力强度的变化出现磨损量快速增加的变化，所以不能满足特种应用工况要求。

Claims (2)

1.一种纳米碳增强铜基复合材料，其特征在于：经过表面改性的碳纳米管0.1~5%、经过表面改性的石墨烯0.1~5%、石墨粉末2~10%、铬粉末1~4%、铅粉末1~8%、锡粉末2~10%、锆粉末0.1~1%、镧粉末0.01~0.5%、余量为铜粉末；
所述经过表面改性的碳纳米管经以下方法制成：
将碳纳米管加入到5~15μg/mL的没食子酸水溶液中，超声分散20~40min，静止12~36h，过滤，取滤渣进行60℃~80℃真空干燥1~8h，获得经过表面改性的碳纳米管；
所述碳纳米管的质量与没食子酸水溶液的体积比为0.05~0.4g：20~80mL；
碳纳米管和没食子酸的质量比为1:0 .5-8，没食子酸以溶解在没食子酸溶液中的没食子酸质量计；
所述经过表面改性的石墨烯经以下方法制成：
将石墨烯加入到0.01~0.1μg/mL的芦丁水溶液中，超声分散，静止，过滤，取滤渣进行真空干燥，获得经过表面改性的石墨烯；
所述石墨烯的质量与芦丁水溶液的体积比为0.05~0.4g：20~80mL；
石墨烯和芦丁的质量比为1:0 .5-8，芦丁以溶解在溶液中的芦丁质量计；
所述铜基复合材料的制备方法如下：
(1) 将碳纳米管加入到没食子酸水溶液中，超声分散，静止，过滤，取滤渣进行真空干燥，获得经过表面改性的碳纳米管；
(2) 将石墨烯加入到芦丁水溶液中，超声分散，静止，过滤，取滤渣进行真空干燥，获得经过表面改性的石墨烯；
(3) 将经过表面改性的碳纳米管和表面改性的石墨烯与铜粉末、石墨粉末、铬粉末、铅粉末、锡粉末、锆粉末、镧粉末进行球磨，得到复合粉末；球磨采用玛瑙球和玛瑙球罐，球磨转速为200~450转/min，球磨时间为40~120min；
(4) 将复合粉末进行冷压成型，得到复合材料压坯；冷压成型压制的压力为400~700MPa；
(5) 将复合材料压坯进行热等静压烧结，冷却，得到纳米碳增强铜基复合材料。
2.根据权利要求1所述的纳米碳增强铜基复合材料，其特征在于：所述步骤(5)中热等静压烧结的温度为800~1000℃，热等静压烧结的压力为80~100MPa，热等静压烧结的时间为1~3h。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109136630B (zh) * 2018-11-01 2021-04-20 中南大学 一种耐电烧蚀耐磨减磨铜基复合材料及其制备方法
CN109694967B (zh) * 2019-01-14 2020-12-25 广西大学 一种铜/石墨烯复合材料的制备方法
CN109732496B (zh) * 2019-01-27 2021-06-01 西南交通大学 用于铁路钢轨修磨的铁基结合剂锆刚玉砂轮及其制备方法
CN109676540B (zh) * 2019-01-27 2021-03-23 西南交通大学 用于铁路钢轨修磨的铜基结合剂锆刚玉砂轮及其制备方法
CN109666915B (zh) * 2019-01-30 2020-08-18 中南大学 一种复合金属层镀覆碳纳米管/石墨烯复合材料的制备方法
CN110885955B (zh) * 2019-10-31 2020-12-22 成都工业学院 一种铜基复合材料及其制备方法
CN110699617B (zh) * 2019-10-31 2020-12-22 成都工业学院 石墨烯和氧化铝晶须共增强铜基复合材料制备方法及其产品
CN111250695A (zh) * 2020-03-09 2020-06-09 西南交通大学 铁路钢轨修磨专用铁基结合剂金刚砂砂轮及其制备方法
CN111270171B (zh) * 2020-03-09 2021-07-30 西南交通大学 一种纳米碳增强Mo-Cu-Zr复合材料及其制备方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100480415C (zh) * 2006-10-13 2009-04-22 上海磁浮交通工程技术研究中心 一种铜基石墨与锆粉末冶金复合材料及其制备方法和用途
JP5744540B2 (ja) * 2011-01-26 2015-07-08 新光電気工業株式会社 金属複合材料、金属複合材料の製造方法、放熱部品、及び放熱部品の製造方法
CN102719693B (zh) * 2012-06-11 2014-04-16 上海交通大学 石墨烯与碳纳米管混杂增强金属基复合材料及其制备方法
CN106636992B (zh) * 2016-10-11 2018-06-12 西南交通大学 一种CNTs和CNFs协同增强铜基复合材料及制备方法
CN107893169B (zh) * 2017-11-03 2020-04-24 北京工业大学 一种碳纳米管和石墨烯混杂增强金属基复合材料的制备方法

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