專利名稱：一種高耐磨/減摩錫青銅基復(fù)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于銅基復(fù)合材料。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的C/Cu復(fù)合材料由于結(jié)合了碳纖維高的比強(qiáng)度和比模量，低的軸向熱膨脹系數(shù)、良好的減摩耐磨和導(dǎo)熱性能，已被用作滑動材料和電接觸材料。但在真空等環(huán)境中，碳纖維的減摩性能急劇惡化。碳納米管(CNTs)是由穩(wěn)定的C-C共價鍵構(gòu)成的一維納米材料，具有超強(qiáng)的力學(xué)性能。理論研究表明多壁納米碳管的平均楊氏模量為1.8TPa，平均彎曲強(qiáng)度高達(dá)14.2GPa；納米碳管的拉伸強(qiáng)度是鋼的100倍，比重僅鋼的1/6，導(dǎo)熱性與金剛石相仿而電導(dǎo)率可高于銅，因此被認(rèn)為是制備超強(qiáng)復(fù)合材料的理想的極限增強(qiáng)材料。同時，多壁碳納米管的結(jié)構(gòu)為同心石墨面圍成的中空圓柱體，具有優(yōu)異的自潤滑性能。因而，由多壁碳納米管作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體，還可顯著地降低材料的摩擦系數(shù)，有效地提高其抗磨損性能。在相同的長徑比下，由于多壁碳納米管單體的體積遠(yuǎn)小于常規(guī)碳纖維，不但不會破壞基體的連續(xù)性，且可用較小的體積摻入量達(dá)到常規(guī)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的所具有的性能。日本東京大學(xué)的Kuzumaki等對熱壓和熱擠制備的碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究表明，碳納米管在制備過程中沒有被破壞，即使在983k溫度下退火24h，碳納米管與鋁基體界面也沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，與純鋁相比，復(fù)合材料的機(jī)械性能得到了明顯的提高。用化學(xué)穩(wěn)定性良好的碳納米管取代碳纖維制備復(fù)合材料，可以提高材料的環(huán)境穩(wěn)定性。相對于其它陶瓷增強(qiáng)相，添加TiB2除了使Cu基復(fù)合材料具有較高的強(qiáng)度和硬度外，還能夠保持良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，并使碳納米管與TiB2協(xié)同增強(qiáng)的Cu基復(fù)合材料具有更優(yōu)異的摩擦磨損性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有優(yōu)良耐磨、減摩性能，抗張強(qiáng)度較高、彈性性能較好、熱膨脹系數(shù)較低，良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，且加工方便的高耐磨/減摩錫青銅基復(fù)合材料。
本發(fā)明提供的復(fù)合材料含有(按重量)0.2～4.5％多壁碳納米管、0.1～1.3％TiB2、其余為含0.35～12.0％Sn的Cu-Sn合金。
本發(fā)明的高耐磨/減摩錫青銅基復(fù)合材料以Cu-Sn合金粉、多壁碳納米管、TiB2粉末為基本原料。其中多壁碳納米管是以粒度為3～5nm的硅膠為載體、含Co的納米催化劑在750℃溫度C2H2∶N2＝1∶3流動氣氛中采用催化熱分解(CCVD)法制備而成，其直徑在20～40nm，長徑比在100～1000之間。通常，將所制備的多壁碳納米管進(jìn)行純化、球磨和表面化學(xué)鍍鎳處理。按復(fù)合材料成分配料將平均粒徑為70μm的Cu-Sn合金粉、鍍鎳碳納米管和平均粒徑為12μm的TiB2粉末超聲振蕩和機(jī)械混合。混合均勻的粉末在600～850MPa壓力下壓制成型，在750～850℃分解氨氣氛中燒結(jié)，隨爐降溫制備成復(fù)合材料。
本發(fā)明復(fù)合材料通過調(diào)整Cu合金基體中多壁碳納米管、TiB2含量，以獲得優(yōu)良的耐磨和減摩性能。多壁碳納米管經(jīng)過球磨后長度變短，分散性提高。經(jīng)過化學(xué)鍍鎳處理的多壁碳納米管改善了與基體的潤濕性，提高了界面結(jié)合強(qiáng)度。由于碳納米管的良好的化學(xué)穩(wěn)定性，不與Cu合金基體發(fā)生作用。分散性較好的高強(qiáng)度多壁碳納米管分布于材料基體中而使復(fù)合材料獲得高強(qiáng)度、高硬度和高耐磨性。同時由于多壁碳納米管的自潤滑作用，使復(fù)合材料還具有優(yōu)良的減摩性能。添加TiB2顆粒使復(fù)合材料的強(qiáng)度、硬度和耐磨性進(jìn)一步提高。多壁碳納米管及TiB2本身具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，可使復(fù)合材料基體保持較高的導(dǎo)電率和熱傳導(dǎo)率。
具體實(shí)施例方式
2.熱膨脹系數(shù)低。本發(fā)明材料的線膨脹系數(shù)(20～100℃)為12.7-13.3×10-6/℃，低于粉末冶金Cu-C復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)(α20-100℃13.6×10-6/℃)、Cu-10Sn合金的線膨脹系數(shù)(α20-100℃15.9×10-6/℃)。
3.抗壓強(qiáng)度高。本發(fā)明材料的抗壓強(qiáng)度為540MPa，高于粉末冶金Cu-C復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度(390MPa)，與硬態(tài)Cu-10Sn合金的抗壓強(qiáng)度相同。
4.加工性能良好。本發(fā)明材料的過熱敏感性低，不需固溶和時效處理，生產(chǎn)工藝易控制，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，成品率高。與Pb-Sn合金釬料釬焊性能良好，電鍍(Ni、Sn、Ag)性能和與樹脂封裝性能良好。
本發(fā)明銅基復(fù)合材料可用來制造可用于制造傳動軸瓦，也可制造電氣列車受電滑板和電接觸觸頭。
權(quán)利要求
1.一種高耐磨/減摩錫青銅基復(fù)合材料，其特征是含有(按重量)0.2～4.5％多壁碳納米管、0.1～1.3％TiB2、其余為含0.35～12.0％Sn的Cu-Sn合金。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高耐磨明/減摩銅基復(fù)合材料，其特征是含有(按重量)2.1％多壁碳納米管、0.3％TiB2、其余為含9.5％Sn的Cu-Sn合金。
3.按權(quán)利要求1、2所述的高耐磨/減摩錫青銅基復(fù)合材料，其特征是所說的多壁碳納米管是鍍鎳多壁碳納米管。
全文摘要
本發(fā)明是一種銅基復(fù)合材料，該材料含有(按重量)0.2～4.5％多壁碳納米管(CNTs)、0.1～1.3％TiB
文檔編號C22C9/02GK1425784SQ0311473
公開日2003年6月25日 申請日期2003年1月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月3日
發(fā)明者涂江平, 王浪云, 楊友志, 張孝彬 申請人:浙江大學(xué)