[發明專利]一種三維連續網絡結構石墨/鑄鋼復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202010522120.3
• 申請日: 2020-06-10
• 公開（公告）號: CN111644599B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 黃東;詹春毅;鄒偉全;馮勝山;吳維鋒;卞青青;陳建麗;賴澳澳;梁玉;周盾白;陳文江;韋澤彬;李大保;曾錦成;陳澤輝;譚水新;區曉明;李景輝
• 申請（專利權）人: 廣東科學技術職業學院
• 主分類號: B22D23/04
• 分類號: B22D23/04;B22C3/00
• 代理公司: 廣州市紅荔專利代理有限公司 44214
• 代理人: 王賢義;何承鑫

本發明提供了一種兼具良好的減摩性、減震性、導熱性、導電性、強度、韌性和較低的密度及熱膨脹性的石墨/鑄鋼復合材料及其成本低廉的常壓制備方法。該復合材料由三維空間均聯通的互聯網絡結構石墨和鑄鋼構成，結合了石墨與鑄鋼的各自優勢，其中石墨體積占比為10%～50%。其制備方法如下：（1）采用聚氨酯泡沫先驅體掛漿工藝和化學粘結加熱固化法制備三維網絡石墨預制體；（2）對石墨預制體表面進行金屬化處理；（3）采用常壓鑄滲方法，往石墨預制體中澆注鋼水，冷卻凝固后制得三維連續網絡結構石墨/鑄鋼復合材料。本發明可作為自潤滑減摩、減振/隔聲、導熱、導電和電子封裝等材料應用于機械、冶金、環保、航空航天、電子等領域。

技術領域

本發明涉及金屬基復合材料領域，尤其涉及一種三維連續網絡結構石墨/鑄鋼復合材料及其常壓制備方法。

背景技術

三維連續網絡結構金屬基復合材料（Three-dimensional Co-continuousNetwork Metal Matrix Composite,或Interpenetrating Network Metal MatrixComposite，可簡稱 INMMC材料）是近年來國內外材料研究工作者越來越重視的新型復合材料研究領域。這種復合材料具有與傳統復合材料完全不同的空間拓撲結構形式，即金屬基體相和復合相（或稱改性相）在三維空間均連續(連通)，呈交織網絡結構。這種兩相均在三維空間上相互纏結和盤繞、相互貫穿和滲透的拓撲結構形式，在合成材料領域是一種全新的復合改性結構形式。這種結構形式使該類材料具有更為獨特的強度性能、減摩/抗磨性能、減振/隔聲性能、熱力學性能、電磁學性能和化學性能等，而且具備性能的各向同性，在機械裝備、環境保護、航空航天、電子通訊等行業用作減摩/抗磨材料、高阻尼減振/隔聲材料、高效導熱/導電材料、耐高溫結構材料、電子封裝材料等具有良好的技術可行性，有著極為廣闊的發展前景。

在機械裝備領域，目前用于制造各種機身、導軌等重要零件的材料普遍采用灰鑄鐵，這是因為其具有良好的耐磨性、減振性、鑄造性能和低的缺口敏感性，而且切削加工性好，熔化配料簡單，成本低。但是，各種重要和重大型機械裝備承受的動載荷越來越大且復雜，相關零部件產生越來越嚴重的振動、疲勞和磨損。要進一步減少這些危害，需要采用同時具備高強度、高阻尼、高耐磨性的材料。

針對上述問題，我們曾在國內外率先研制三維網絡結構碳化硅/灰鑄鐵復合材料，希望其在具有較高強度的同時，又具有優良的耐磨性、良好的減振性等其他性能，用于代替灰鑄鐵制造床身、導軌等重要鑄件。我們采用聚氨酯泡沫先驅體掛漿成型法和高溫燒結工藝，先制備出具有均勻、相互貫通孔結構的碳化硅泡沫預制體，再對其進行表面金屬化處理，然后采用常壓鑄滲成型工藝，制備出三維網絡結構碳化硅/灰鑄鐵復合材料。該復合材料的相對耐磨性高達灰鑄鐵的4.7倍～7.9倍，平均摩擦系數為灰鑄鐵的46%～89%，振幅衰減比灰鑄鐵振幅衰減更迅速，減振效果明顯，但是抗拉強度不如灰鑄鐵，難以滿足日益先進的、重大型機械裝備的性能要求。

近期國內外開發的球墨鑄鋼，也是兼具較好的減摩/抗磨性和減震性的新材料，其強度高于灰鑄鐵，但減摩/抗磨性和減震性低于鑄鐵。其抗磨性歸功于其中碳化物的支撐骨架作用，減摩性得益于石墨相的自潤滑能力。如增加石墨，其減摩/抗磨性將提高，但碳化物將過多，鋼水中的石墨在熔煉和澆注過程中也會因漂浮而導致石墨分布不均勻，會使韌性和強度顯著降低，因此球墨鑄鋼的石墨的含量一般不能超過1.8%，其性能改進空間有限。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種同時具有良好的減摩性、減震/隔聲性、強度、韌性、導電/導熱性和較低的密度及熱膨脹性的三維連續網絡結構石墨/鑄鋼復合材料及其常壓制備方法，其制備方法工藝簡單、成本低。

本發明所述三維連續網絡結構石墨/鑄鋼復合材料的技術方案是，該復合材料是由在三維空間均聯通的互聯網絡結構石墨和鑄鋼構成，其中，石墨的體積占比為10%～50%。

上述方案可見，本發明復合材料結合了石墨和鑄鋼的各自優勢，具有獨特的強度性能、減摩性能、減振/隔聲性能、導電/導熱性能等。