[發(fā)明專利]一種短碳纖維復(fù)合石墨烯強(qiáng)化銅基耐磨材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610021232.4
• 申請(qǐng)日: 2016-01-13
• 公開（公告）號(hào): CN105543545B
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張新疆;張本國(guó);陳勇;晁月雨
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 鹽城工學(xué)院
• 主分類號(hào): C22C9/00
• 分類號(hào): C22C9/00;C22C1/05;C22C1/10;C22C47/14;C22C49/02;C22C49/14;C22C101/10
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙)32204
• 代理人: 李曉靜

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種短碳纖維復(fù)合石墨烯強(qiáng)化銅基耐磨材料及其制備方法。

背景技術(shù)

銅基復(fù)合材料是指通過(guò)向銅和銅合金基體中引入增強(qiáng)體，能夠在保持基體材料韌性的同時(shí)提高其室溫和高溫屈服及抗拉強(qiáng)度，提高疲勞強(qiáng)度、彈性模量、耐磨性等性能，降低基體材料的熱膨脹系數(shù)，很大程度上彌補(bǔ)銅和銅合金性能的不足。作為增強(qiáng)體材料，碳纖維有多種優(yōu)異的性能特點(diǎn)，如：低比重、高強(qiáng)度和高模量；耐摩擦、耐腐燭和耐疲勞；振動(dòng)衰減性高、電與熱傳導(dǎo)性高、熱膨脹系數(shù)低、X光穿透性高，且為非磁性材料，并有著很強(qiáng)的電磁遮蔽性等等，尤其是碳纖維在具備很高強(qiáng)度的同時(shí)，還能呈現(xiàn)出良好的剛性；并且在高性能纖維行列中，有著最高的比強(qiáng)度(強(qiáng)度/密度)和比模量(模量/密度)，其作為增強(qiáng)材料廣泛地應(yīng)用于樹脂和金屬基復(fù)合材料中。碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料綜合了兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，可用作電子封裝材料、電接觸材料、熱交換材料等。由于長(zhǎng)纖維的價(jià)格、其復(fù)合材料性能的各向異性以及制備工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)，使得短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料顯出優(yōu)勢(shì)。此外，石墨烯在力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)等方面都具有奇特而優(yōu)異的性能，如本征強(qiáng)度比鋼高100倍，比表面積大、載流子遷移率高和熱導(dǎo)率優(yōu)異。同時(shí)，石墨烯作為一類碳材料，還具有良好的自潤(rùn)滑性能。因此，添加石墨烯既能夠提高銅基體的強(qiáng)度、硬度和熱膨脹穩(wěn)定性，又能夠同時(shí)獲得優(yōu)良的導(dǎo)電和耐磨性能。基于兩種增強(qiáng)體顯著的性能，人們已利用各種方法制備出一系列短碳纖維/銅基復(fù)合材料和石墨烯/銅基復(fù)合材料。然而迄今為止，短碳纖維復(fù)合石墨烯強(qiáng)化銅基耐磨材料未有任何報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明旨在通過(guò)選用耐磨性能優(yōu)異的短碳纖維和石墨烯作為增強(qiáng)體，解決短碳纖維和石墨烯在基體中分散不均的問(wèn)題，獲得了銅基復(fù)合材料良好的耐磨性能，從而提供一種短碳纖維復(fù)合石墨烯強(qiáng)化銅基耐磨材料，本發(fā)明的另一目的在于提供該耐磨材料的制備方法。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種短碳纖維復(fù)合石墨烯強(qiáng)化銅基耐磨材料，含有以下重量百分比的組分：短碳纖維0.5-3.0wt％，石墨烯1.0-4.0wt％，余量為Cu。

本發(fā)明還提供了一種上述短碳纖維復(fù)合石墨烯強(qiáng)化銅基耐磨材料的制備方法，包括復(fù)合材料混合粉體的制備及復(fù)合材料的燒結(jié)兩個(gè)步驟，包括以下步驟：

(1)復(fù)合材料混合粉體的制備：量取氧化石墨烯水溶液，在電動(dòng)攪拌的情況下，向氧化石墨烯水溶液中加入短碳纖維，攪拌得到短碳纖維和氧化石墨烯水溶液混合漿料，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80％的水合肼溶液，再加入Cu粉，180–240r/min轉(zhuǎn)速下攪拌2-4h成泥漿狀，獲得復(fù)合材料混合粉體泥漿，隨后使之完全冷凍成冰，然后將凍實(shí)的復(fù)合材料混合粉體泥漿使用真空度為1–10Pa的冷凍干燥箱去除水分和水合肼，即得到復(fù)合材料混合粉體；

(2)復(fù)合材料的燒結(jié)：將步驟(1)得到的復(fù)合材料混合粉體裝入鋼制模具中，使用粉末壓力機(jī)將復(fù)合材料混合粉體冷壓成型，然后將冷壓成型的復(fù)合材料混合粉體置于真空熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)完成并冷至室溫后，脫模即得短碳纖維復(fù)合石墨烯強(qiáng)化銅基耐磨材料。

作為優(yōu)選，所述步驟(1)中氧化石墨烯水溶液的濃度為15–20mg/mL。

作為優(yōu)選，所述步驟(1)中短碳纖維的長(zhǎng)度為1–2mm。

作為優(yōu)選，所述步驟(1)中水合肼溶液的加入量按水合肼溶液與氧化石墨烯水溶液的體積比為1：500計(jì)算。

作為優(yōu)選，所述步驟(1)中短碳纖維和氧化石墨烯水溶液混合漿料的攪拌時(shí)間為2-3h，攪拌速率為250–360r/min。

作為優(yōu)選，所述步驟(1)中Cu粉的粒徑為5–20μm。

作為優(yōu)選，所述步驟(1)中復(fù)合材料混合粉體泥漿的冷凍溫度為-60–-40℃，冷凍時(shí)間為4-8h。

作為優(yōu)選，所述步驟(2)中復(fù)合材料混合粉體冷壓成型的壓力為450–550MPa。

作為優(yōu)選，所述步驟(2)中冷壓成型的復(fù)合材料混合粉體的熱壓燒結(jié)條件如下：真空度在0.1Pa以下，施加壓力為45–65MPa，加熱程序控制為：先以70-90℃/h升至400℃，再以150-180℃/h的速率升至850–950℃，保溫2-3h后，開始降溫，至爐冷至100℃取出空氣冷卻至室溫。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：