專利名稱：一種短纖維與顆粒協(xié)同增強(qiáng)銅基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種銅基復(fù)合材料，特別涉及一種由粉末冶金制備，采用短纖維與顆粒協(xié)同增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料。
背景技術(shù)：
非連續(xù)體增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料由于其獨(dú)特的性能優(yōu)勢在航空航天、汽車等領(lǐng)域已獲得許多應(yīng)用。在復(fù)合材料的制備方法中，粉末冶金方法由于其獨(dú)特的優(yōu)勢而被廣泛采用。關(guān)于顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料與短纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，已經(jīng)有了不少的研究。例如文獻(xiàn)“碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備與研究(王森，碩士論文，蘭州大學(xué)，2009)”和“納米Al2O3顆粒增強(qiáng)新型銅基自潤滑復(fù)合材料(陳歲元，劉義杰，劉常升，孫桂芳，復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2009，26 (6 ):109-115)”，以及專利文獻(xiàn)“納米與亞微米氧化鋁混雜增強(qiáng)銅基復(fù)合材料及其制備方法(中國發(fā)明專利，200810017990. 4)中的研究，確實(shí)在顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料或短纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料方面做了很多的工作，也取得了不少的成績與進(jìn)展。但是，復(fù)合材料的力學(xué)性能還有待于進(jìn)一步提高，在上述文獻(xiàn)“碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備與研究”中，講述到利用粉末冶金方法制備碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料試樣，確定了最佳制備工藝，試樣的致密度平均達(dá)到97%。實(shí)驗(yàn)對(duì)不同碳納米管體積分?jǐn)?shù)復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行測試。結(jié)果表明，3vol. %CNT/Cu復(fù)合材料的力學(xué)性能最好，硬度為純銅試樣的I. 5倍。實(shí)驗(yàn)在不同的磨損載荷和滑動(dòng)速率下，對(duì)不同碳納米管體積分?jǐn)?shù)復(fù)合材料的比磨損率進(jìn)行測試。結(jié)果表明，碳納米管的加入明顯改善了基體的磨損性能，碳納米管體積分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，復(fù)合材料的比磨損率達(dá)到最小值，約為純銅試樣的1/4 1/3。在上述文獻(xiàn)“納米Al2O3顆粒增強(qiáng)新型銅基自潤滑復(fù)合材料”中，以Cu、Ni、Y2O3> MoS2, Graphite混合粉為基體，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、1%、2%、3%、4%的納米Al2O3增強(qiáng)相，采用粉末冶金方法制備納米Al2O3增強(qiáng)新型銅基自潤滑復(fù)合材料。結(jié)果表明由石墨和MoS2組成的混合固體自潤滑材料的摩擦系數(shù)小且穩(wěn)定，約O. 12。Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的樣品磨損量最小，是未加Al2O3試樣磨損量的I/ I/ 8。銅基體經(jīng)過鎳、納米Al2O3等彌散顆粒強(qiáng)化和固體潤滑相石墨和MoS2的加入。所制備的材料已具有一定的自潤滑性能。在上述專利文文獻(xiàn)中，公開了一種納米與亞微米氧化鋁混雜增強(qiáng)銅基復(fù)合材料及其制備方法，稱材料的強(qiáng)度、導(dǎo)電率、塑性均優(yōu)于單一尺寸增強(qiáng)的復(fù)合材料，但未涉及到材料的摩擦磨損性能。隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，對(duì)復(fù)合材料的性能提出了更高的要求，例如希望其在具有高耐磨性和高模量的同時(shí)，具有更高的強(qiáng)度和足夠的塑韌性，有時(shí)還希望在提高力學(xué)性能的同時(shí)又能夠改善其摩擦磨損性能。這就要求在材料體系的成分設(shè)計(jì)、制備工藝路線與參數(shù)的控制以及后續(xù)加工處理等方面系統(tǒng)考慮。雖然非連續(xù)體增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料已研制出許多體系，但其中很多復(fù)合材料體系實(shí)際上只有少數(shù)性能指標(biāo)有一定優(yōu)勢，其它性能指標(biāo)尚未得到改善。這除了制備方法不夠成熟以外，主要原因是材料體系的成分設(shè)計(jì)有待優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種短纖維與顆粒協(xié)同增強(qiáng)銅基復(fù)合材料及其制備方法，采用短纖維與顆粒作為增強(qiáng)相，充分發(fā)揮增強(qiáng)相的作用，提高銅基復(fù)合材料的綜合性能，包括強(qiáng)度、硬度、韌性等力學(xué)性能；導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等物理性能；摩擦磨損性能等，提高材料的使用性能。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下方案
短纖維與顆粒協(xié)同增強(qiáng)銅基復(fù)合材料采用短纖維與顆粒作為增強(qiáng)相，短纖維的含量為O. 1% 2% (wt)，增強(qiáng)體顆粒的含量為O. 1% 10% (wt)o所述短纖維為碳納米管、納米碳纖維、陶瓷短纖維中的任一種。
所述增強(qiáng)體顆粒為氧化招,氧化錯(cuò)、氧化鎂、二氧化鈦,碳化娃,碳化鈦,碳化鶴、氮化硅、氮化鋁、氮化鈦、二硼化鈦、Ti3SiC2中的任一種。短纖維與顆粒協(xié)同增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備方法是將短纖維O. 19T2% (wt)，和增強(qiáng)體顆粒O. 1°/Tl0% (Wt)混合、成形、燒結(jié)?；旌系姆绞娇梢允谴帕嚢琛⒊暡ǚ稚?、高能球磨、三維混料機(jī)或V型混料機(jī)混合?；旌系墓に噮?shù)可以參照普通粉末冶金的工藝參數(shù)而定。燒結(jié)可以采用普通真空燒結(jié)、保護(hù)氣氛燒結(jié)、熱壓、熱等靜壓、微波燒結(jié)、放電等離子體燒結(jié)。當(dāng)燒結(jié)采用放電等離子燒結(jié)、熱等靜壓力、熱壓時(shí)，溫度為50(T90(TC，保溫時(shí)間為5分鐘 2小時(shí)，壓力為O. Γ300ΜΡΒ ;當(dāng)采用放電等離子體燒結(jié)時(shí)，溫度為50(T90(TC，壓力為3(T300MPa ;當(dāng)采用熱等靜壓時(shí)，溫度為50(T80(TC，壓力為5(T300MPa ;當(dāng)采用熱壓燒結(jié)時(shí)，溫度為60(T90(TC，壓力為O. I 50MPa。燒結(jié)后的后續(xù)加工可以包括熱擠壓、軋制、鍛造、拔絲。后續(xù)加工的工藝參數(shù)可以參照粉末冶金零件的后續(xù)處理工藝而定。與已有的銅基復(fù)合材料相比，由于本發(fā)明利用短纖維與顆粒對(duì)銅基復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)理，使短纖維所承受的力由基體材料通過界面?zhèn)鬟f，此時(shí)界面的切應(yīng)力就起著至關(guān)重要的作用，而界面的切應(yīng)力又與界面正應(yīng)力密切相關(guān)。當(dāng)基體中存在有增強(qiáng)體顆粒時(shí)，復(fù)合材料的楊氏模量提高，這樣，在發(fā)生相同應(yīng)變的情況下，其應(yīng)力也會(huì)提高。就是說，由于顆粒的存在，使基體對(duì)短纖維的“抱緊”作用有所增強(qiáng)，與不存在顆粒的情況相比，短纖維的增強(qiáng)效果明顯提高，充分發(fā)揮了他們之間的相互作用，從而全面提升了銅基復(fù)合材料的綜合性倉泛。本發(fā)明中復(fù)合材料的性能，例如室溫與高溫強(qiáng)度可以提高到純銅的3倍以上；導(dǎo)電性可以達(dá)到純銅的80%以上；導(dǎo)熱性可以達(dá)到純銅的70%以上；摩擦系數(shù)可以降低到純銅的70%以下；磨損率可以降低到純銅的50%以下。
具體的實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。實(shí)施例I
一種短纖維與顆粒協(xié)同增強(qiáng)銅基復(fù)合材料銅粉(樹枝狀電解銅粉，購自北京有色金屬研究總院，純度>99. 8%，粒度為-325目)，短纖維采用碳納米管(管壁外徑20-30 nm，長度為20-30 μ m，純度>95%)，加入量為O. 5wt. %，顆粒采用氧化鋁(購自北京納辰科技，粒度20nm，純度>99. 9%)加入量為3. 5wt. %，混粉工藝為磁力攪拌(MS)工藝和超聲波分散，燒結(jié)方式為放電等離子體燒結(jié)(SPS)工藝，燒結(jié)時(shí)直接成形，其工藝參數(shù)粉體燒結(jié)為厚5_，直徑Φ20 的試樣，燒結(jié)壓力和溫度分別為40MPa和850°C，保溫5min，性能為致密度99. 8%、硬度86. 04N/mm2、導(dǎo)電性5. 39 X IO7 Ω—1 ^1、導(dǎo)熱率為218. 05W/mk、平均摩擦系數(shù)為O. 085。比文獻(xiàn)“碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備與研究”相比，加入碳納米管的量少
2.5%，且所得材料的致密度要高；布氏硬度比純銅提高了 33. 2% ;平均摩擦系數(shù)與純銅相比降低了 47%。
實(shí)施例2
一種短纖維與顆粒協(xié)同增強(qiáng)銅基復(fù)合材料銅粉(樹枝狀電解銅粉，購自北京有色金屬研究總院，純度>99. 8%，粒度為-325目)，納米碳纖維(購自北京德科島科技有限公司，直徑150-200 nm，長度10-30 nm，純度>95%)加入量為O. 3wt. %，顆粒采用氮化鋁(購自秦皇島一諾新材料有限公司，粒度3 μ m,純度>99. 9%)加入量為2. 5wt. %，混粉工藝為高能球磨分散，燒結(jié)方式為熱等靜壓工藝，直接粉末成形，粉末裝入包套中，然后使用氮?dú)?、氬氣作加壓介質(zhì)，使粉末直接加熱加壓燒結(jié)成型，其工藝參數(shù)為燒結(jié)壓力和溫度分別為300MPa和700°C，性能為致密度98%、硬度80. 04N/mm2、導(dǎo)電性5. O XlO7 Ω-1 .m'導(dǎo)熱率為202. 84W/mk、平均摩擦系數(shù)為O. 10。
實(shí)施例3
一種短纖維與顆粒協(xié)同增強(qiáng)銅基復(fù)合材料銅粉(樹枝狀電解銅粉，購自北京有色金屬研究總院，純度>99. 8%，粒度為-325目)，SiC晶須(購自秦皇島一諾高新材料開發(fā)有限公司，純度>99%)加入量為O. Iwt. %，顆粒采用碳化鎢(購自北京蒙泰有研技術(shù)開發(fā)中心，純度 >99. 9%, 300目)加入量為I. 5wt. %，混粉工藝為磁力攪拌(MS)工藝和超聲波分散，成形和燒結(jié)一體，燒結(jié)方式為熱壓燒結(jié)工藝，其工藝參數(shù)為燒結(jié)壓力為O. IMPa，于900°C燒結(jié)2h，性能為致密度98. 8%、硬度80. 35N/mm2、導(dǎo)電性5. I X IO7 Ω—1 .m'導(dǎo)熱率為210. 5W/mk、平均摩擦系數(shù)為O. 07。
實(shí)施例4
一種短纖維與顆粒協(xié)同增強(qiáng)銅基復(fù)合材料銅粉(樹枝狀電解銅粉，購自北京有色金屬研究總院，純度>99. 8%，粒度為-325目)，短纖維采用碳納米管(管壁外徑20-30 nm,長度為20-30 μ m,純度>95%)，加入量為Iwt. %，顆粒采用碳化鈦(購自株洲華斯盛新材料科技有限公司，粒度2-4 μ m,純度>98%)加入量為O. Iwt. %，混粉工藝為磁力攪拌(MS)工藝和超聲波分散，燒結(jié)方式為放電等離子體燒結(jié)(SPS)工藝，燒結(jié)時(shí)直接成形，其工藝參數(shù)粉體燒結(jié)為厚5mm，直徑Φ20πιπι的試樣，燒結(jié)壓力和溫度分別為40MPa和850°C，保溫5min，性能為致密度99%、硬度82. 17N/mm2、導(dǎo)電性5. 21 X IO7 Ω-1 .m'導(dǎo)熱率為213. llW/mk、平均摩擦系數(shù)為O. 09。實(shí)施例5
一種短纖維與顆粒協(xié)同增強(qiáng)銅基復(fù)合材料銅粉(樹枝狀電解銅粉，購自北京有色金屬研究總院，純度>99. 8%，粒度為-325目)，納米碳纖維(購自北京德科島科技有限公司，直徑150-200 nm，長度10-30 nm，純度>95%)加入量為I. 2wt. %，顆粒采用氧化鋯(購自上海利邦化工有限公司，純度> 99. 9%)加入量為O. 5wt. %，混粉工藝為高能球磨分散，燒結(jié)方式為熱等靜壓工藝，直接粉末成形，粉末裝入包套中，然后使用氮?dú)狻鍤庾骷訅航橘|(zhì)，使粉末直接加熱加壓燒結(jié)成型，其工藝參數(shù)為燒結(jié)壓力和溫度分別為300MPa和700°C，性能為致密度98. 2%、硬度84. 40N/mm2、導(dǎo)電性4. 95 X IO7 Ω-1 .m'導(dǎo)熱率為223. 50W/mk、平均摩擦系數(shù)為 O. 10。
實(shí)施例6
一種短纖維與顆粒協(xié)同增強(qiáng)銅基復(fù)合材料銅粉(樹枝狀電解銅粉，購自北京有色金 屬研究總院，純度>99.8%，粒度為-325目)，SiC晶須(購自秦皇島一諾高新材料開發(fā)有限公司，純度>99%)加入量為I. 4wt. %，顆粒采用氮化鈦(購自天津納德科技有限公司，純度>99. 7%, 300目)加入量為Iwt. %，混粉工藝為磁力攪拌(MS)工藝和超聲波分散，成形和燒結(jié)一體，燒結(jié)方式為熱壓燒結(jié)工藝，其工藝參數(shù)為燒結(jié)壓力為lOMPa，于900°C燒結(jié)2h，性能為致密度99. 1%、硬度83. 32N/mm2、導(dǎo)電性5. 32 X IO7 Ω-1 .πΓ1、導(dǎo)熱率為217. 2W/mk、平均摩擦系數(shù)為O. 10。
實(shí)施例7
一種短纖維與顆粒協(xié)同增強(qiáng)銅基復(fù)合材料銅粉(樹枝狀電解銅粉，購自北京有色金屬研究總院，純度>99. 8%，粒度為-325目)，短纖維采用碳納米管(管壁外徑20-30 nm,長度為20-30 μ m,純度>95%)，加入量為I. 6wt. %，顆粒采用氮化硅(購自天津納德科技有限公司，純度>99. 9%，粒度為3 μ m)加入量為5wt. %，混粉工藝為三維混料機(jī)分散，燒結(jié)方式為放電等離子體燒結(jié)(SPS)工藝，燒結(jié)時(shí)直接成形，其工藝參數(shù)粉體燒結(jié)為厚5mm，直徑Φ20·ι的試樣，燒結(jié)壓力和溫度分別為40MPa和850°C，保溫5min，性能為致密度97. 2%、硬度97. 22N/mm2、導(dǎo)電性 5. 04X IO7Q^1 · πΓ1、導(dǎo)熱率為 198. 25W/mk、平均摩擦系數(shù)為 O. 09。
實(shí)施例8
一種短纖維與顆粒協(xié)同增強(qiáng)銅基復(fù)合材料銅粉(樹枝狀電解銅粉，購自北京有色金屬研究總院，純度>99. 8%，粒度為-325目)，納米碳纖維(購自北京德科島科技有限公司，直徑150-200 nm,長度10-30 nm,純度>95%)加入量為I. 8wt. %，顆粒采用碳化硅(購自臨沂市蒙碳化硅有限公司，粒度I μ m，純度>98%)加入量為8wt.%，混粉工藝為高能球磨分散，燒結(jié)方式為熱等靜壓工藝，直接粉末成形，粉末裝入包套中，然后使用氮?dú)?、氬氣作加壓介質(zhì)，使粉末直接加熱加壓燒結(jié)成型，其工藝參數(shù)為燒結(jié)壓力和溫度分別為300MPa和700°C，性能為致密度 92. 8%、硬度 103. 44N/mm2、導(dǎo)電性 4. 89 X IO7 Ω-1 · πΓ1、導(dǎo)熱率為 199. 01W/mk、平均摩擦系數(shù)為O. 08。
實(shí)施例9一種短纖維與顆粒協(xié)同增強(qiáng)銅基復(fù)合材料銅粉(樹枝狀電解銅粉，購自北京有色金屬研究總院，純度>99.8%，粒度為-325目)，SiC晶須(購自秦皇島一諾高新材料開發(fā)有限公司，純度>99%)加入量為2wt.%，顆粒采用二氧化鈦(購自北京德科島金科技有限公司，純度>99. 9%，IOnm)加入量為IOwt. %，混粉工藝為三維混料機(jī)分散，成形和燒結(jié)一體，燒結(jié)方式為熱壓燒結(jié)工藝，其工藝參數(shù)為燒結(jié)壓力為40MPa，于900°C燒結(jié)2h，性能為致密度
88. 74%、硬度103. 35N/mm2、導(dǎo)電性4. 91 X IO7 Ω-1 · πΓ1、導(dǎo)熱率為173. 4W/mk、平均摩擦系數(shù)為 O. 07。
權(quán)利要求
1.一種短纖維與顆粒協(xié)同增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，其特征在于短纖維與顆粒作為增強(qiáng)相，短纖維的含量為0. 19T2%wt，增強(qiáng)體顆粒的含量為0. 19Tl0%wt。
2.如權(quán)利要求I所述的短纖維與顆粒協(xié)同增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，其特征在于所述短纖維為碳納米管、納米碳纖維、陶瓷短纖維中的任一種。
3.如權(quán)利要求I所述的短纖維與顆粒協(xié)同增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，其特征在于所述增強(qiáng)體顆粒為氧化招，氧化錯(cuò)、氧化鎂、二氧化鈦，碳化娃，碳化鈦，碳化鶴、氮化娃、氮化招、氮化鈦、二硼化鈦、Ti3SiC2中的任一種。
4.權(quán)利要求1-3所述的短纖維與顆粒協(xié)同增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于將短纖維0. 19T2%wt，和增強(qiáng)體顆粒0. I°ri0%wt混合、成形、燒結(jié)。
5.如權(quán)利要求4所述的短纖維與顆粒協(xié)同增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于混合的方式是磁力攪拌、超聲波分散、高能球磨、三維混料機(jī)或V型混料機(jī)混合。
6.如權(quán)利要求4所述的短纖維與顆粒協(xié)同增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于燒結(jié)采用普通真空燒結(jié)、保護(hù)氣氛燒結(jié)、熱壓、熱等靜壓、微波燒結(jié)、放電等離子體燒結(jié)。
7.如權(quán)利要求6所述的短纖維與顆粒協(xié)同增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于當(dāng)燒結(jié)采用放電等離子燒結(jié)、熱等靜壓力、熱壓時(shí)，溫度為50(T90(TC，保溫時(shí)間為5分鐘 2小時(shí)，壓力為0. IlOOMPa ;當(dāng)采用放電等離子體燒結(jié)時(shí)，溫度為50(T90(TC，壓力為3(T300MPa ;當(dāng)采用熱等靜壓時(shí)，溫度為50(T80(TC，壓力為5(T300MPa ;當(dāng)采用熱壓燒結(jié)時(shí)，溫度為60(T900°C，壓力為0. I 50MPa。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種銅基復(fù)合材料，由粉末冶金制備，采用短纖維與顆粒協(xié)同增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料。短纖維與顆粒作為增強(qiáng)相，短纖維的含量為0.1%~2%wt，增強(qiáng)體顆粒的含量為0.1%~10%wt。作為短纖維，可以是碳納米管，納米碳纖維，陶瓷短纖維等，作為增強(qiáng)相的顆粒可以是氧化鋁，氧化鋯、氧化鎂、二氧化鈦，碳化硅，碳化鈦，碳化鎢、氮化硅、氮化鋁、氮化鈦、二硼化鈦、Ti3SiC2等。該復(fù)合材料經(jīng)過混合、成形、燒結(jié)、加工，其室溫與高溫強(qiáng)度可以提高到純銅的3倍以上；導(dǎo)電性可以達(dá)到純銅的80%以上；導(dǎo)熱性可以達(dá)到純銅的70%以上；摩擦系數(shù)可以降低到純銅的70%以下；磨損率可以降低到純銅的50%以下。
文檔編號(hào)C22C9/00GK102978434SQ201210536730
公開日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月13日
發(fā)明者賈成廠, 崔照雯, 蔣立坤, 高鵬, 常宇宏, 曾石軒, 李澤洲, 顏翃, 李敬仁 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)