一種碳纖維增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種碳纖維增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料的制備方法，包括如下的步驟：步驟一、稱取配料進(jìn)行球磨混合，混合時間為3小時；得到混合料；所述碳纖維表面包覆有鎳層；所述石墨粉粒徑為50um，并且所述的石墨粉經(jīng)過化學(xué)鍍技術(shù)處理表面鍍有銅層；步驟二、將所述步驟一制備的混合料在700Mpa的壓力下壓制；得到毛坯；步驟三、將所述步驟二制備的毛坯進(jìn)行二期燒結(jié)，得到燒結(jié)后的合金塊；步驟四、將所述步驟三處理后的合金塊進(jìn)行熱處理；得到本發(fā)明所述的碳纖維增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料。本發(fā)明制備的銅基復(fù)合材料不僅具有優(yōu)良的自潤滑性能，而且耐磨性能和力學(xué)性能特別優(yōu)秀。
【專利說明】一種碳纖維增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于銅基復(fù)合材料制備的【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地，涉及一種碳纖維增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)進(jìn)步，材料對于工業(yè)領(lǐng)域的重要性越來越突出，單一材料難以滿足要求，而復(fù)合材料具有強(qiáng)度高、彈性模量高和密度小等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中越來越受到重視并得到應(yīng)用。其中尤以金屬基復(fù)合材料備受關(guān)注。但在以前的研究工作中，注意力主要集中在鋁基、鎂基等輕金屬基復(fù)合材料上，相對來說對銅基復(fù)合材料的研究較少。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種碳纖維增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料的制備方法、以及由該制備方法制備得到的銅基復(fù)合材料。本發(fā)明方法采用特定的配方和工藝，制備得到的銅基復(fù)合材料不僅具有高的韌性，而且具有超高強(qiáng)度和超高耐磨性，特別適合汽車發(fā)動機(jī)零件。
[0004]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種碳纖維增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料的制備方法，可以依次包括如下的步驟:
[0005]步驟一、稱取以下重量份數(shù)的配料:10份的石墨粉，10份的碳納米管，2.5份的碳纖維，1.2份的鎳粉、1.5份的Fe粉和200份的銅粉；所述鎳粉粉末粒度為150?200目，所述Fe粉粉末粒度為150?200目，所述銅粉粉末粒度為150?200目；再加入3重量份的潤滑劑進(jìn)行球磨混合，混合時間為3小時；得到混合料；所述碳纖維表面包覆有鎳層；所述石墨粉粒徑為50um，并且所述的石墨粉經(jīng)過化學(xué)鍍技術(shù)處理表面鍍有銅層；
[0006]步驟二、將所述步驟一制備的混合料在700Mpa的壓力下壓制；得到毛坯；
[0007]步驟三、將所述步驟二制備的毛坯進(jìn)行二期燒結(jié)，所述二期燒結(jié)包括前期燒結(jié)和后期燒結(jié):前期燒結(jié)為真空燒結(jié)，先對爐內(nèi)抽真空，保證爐體內(nèi)的真空度在0.1Pa以下，然后對爐內(nèi)進(jìn)行加熱，在溫度為900°C下保溫0.5小時；后期燒結(jié)為IS氣氣氛燒結(jié),充入IS氣，使壓強(qiáng)達(dá)到20Mpa，在溫度850°C保溫0.5小時；得到燒結(jié)后的合金塊；
[0008]步驟四、將所述步驟三處理后的合金塊進(jìn)行熱處理；得到本發(fā)明所述的碳纖維增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料；
[0009]其中，所述熱處理工藝依次包括:等溫淬火、高頻淬火和回火；
[0010]所述等溫淬火工藝為:加熱至850?880°C保溫10?30min，然后在500?480°C等溫處理3?4h，水冷；
[0011]所述高頻淬火工藝為:溫度為900?1000°C，加熱速度為300?500°C /s ;加熱時間3?5s，同時加熱淬火，急速冷卻；
[0012]所述回火工藝為:在100?180°C，保溫60?120min ；
[0013]其中，所述步驟一中，采用化學(xué)鍍技術(shù)使所述碳纖維表面包覆鎳層，并且所述碳纖維化學(xué)鍍的具體步驟為:
[0014]步驟A預(yù)處理:將碳纖維置于馬弗爐中進(jìn)行高溫灼燒，在300°C的溫度下灼燒30min進(jìn)行表面去膠，將去膠后的碳纖維置于10% NaOH溶液中，室溫?cái)嚢?5min進(jìn)行表面除油，用去離子水反復(fù)清洗至中性，在80°C溫度下干燥至恒重；進(jìn)行粗化處理，將除油后的碳纖維置于粗化液中，30°C溫度條件下電磁攪拌30min ;粗化液組成為:200g/1^(順4)25208(過二硫酸銨)，10mVLH2SO4 (密度為1.84g/cm3)，粗化后用去離子水洗至中性，在100°C溫度下干燥至恒重；
[0015]步驟B化學(xué)鍍:配置化學(xué)鍍液:化學(xué)鍍液由六水合硫酸鎳0.2mol/L，檸檬酸鈉
0.lmol/L,氯化銨0.05mol/L、次亞磷酸鈉0.283mol/L以及去離子水組成，用氨水調(diào)節(jié)化學(xué)鍍液PH為9 ;將步驟A預(yù)處理后的碳纖維置于化學(xué)鍍液中，同時加入5g的微米級鐵粉，調(diào)節(jié)溫度至60°C，中速攪拌120min;取出反應(yīng)后的碳纖維置于80°C的真空干燥箱中干燥1h,得到包覆金屬鎳層的碳纖維；其中預(yù)處理后的碳纖維質(zhì)量與化學(xué)鍍液的體積之比Ig:2000mL。
[0016]所述潤滑劑為硬脂酸鋅。
[0017]所述石墨粉為人造石墨粉或天然石墨粉；所述銅的鍍覆質(zhì)量比為0.5。鍍覆質(zhì)量比是指被鍍石墨粉與表面銅層的質(zhì)量比例。
[0018]本發(fā)明中，所述石墨粉采用以下步驟進(jìn)行鍍銅，包括:
[0019](a)、加入酒精將石墨粉和鐵粉混合均勻成混合物，鐵粉的粒度在250目以上，其加入量由石墨粉上需要鍍銅的量確定，鐵粉的加入量為通過理論上計(jì)算能將銅置換出來的量乘以1.02?1.05的系數(shù)，石墨粉與酒精的質(zhì)量比為1:0.8?1.2 ;
[0020](b)、石墨粉表面一次鍍銅:在所述步驟(a)混合物中加入銅鹽溶液，銅鹽溶液總的加入量根據(jù)石墨粉上需要鍍銅的量確定，第一次銅鹽溶液加入量為總加入質(zhì)量的20%?40%，加入的銅鹽溶液為ph值在I?4之間的酸溶液，銅鹽酸溶液邊加入邊攪拌，攪拌速率控制在50轉(zhuǎn)/分鐘，直到加入的銅鹽溶液與鐵粉完全反應(yīng)為止；所述銅鹽酸溶液是指銅鹽溶液中添加冰乙酸配制而成；
[0021](c)添加粘結(jié)劑和添加劑；將所述步驟(b)所得物進(jìn)行洗滌過濾，然后加入適量粘結(jié)劑，攪拌混合，添加劑和粘結(jié)劑的加入量以保證其充分填充在未鍍上銅的石墨粉表面和鍍銅形成的孔隙中；所述添加劑為氫氧化鋁；所述粘結(jié)劑為硅膠；
[0022](d)鍍銅石墨粉表面二次鍍銅:將剩余的60?80%的銅鹽溶液配制成ph值在5?6之間的酸溶液緩慢加入(c)步驟所得物中，讓剩余的所有鐵粉得以充分反應(yīng)以在上述粉末的表面形成一層連續(xù)的銅層，銅鹽溶液邊加入攪拌，攪拌速率為50轉(zhuǎn)/分鐘；
[0023](e)鍍銅石墨粉洗滌處理:將所述步驟(d)得到的鍍銅石墨粉水洗滌至中性；
[0024](f)鍍銅石墨粉干燥處理:洗滌后的鍍銅石墨粉經(jīng)過離心機(jī)濾去其中水分，然后在氫氣氣氛中干燥，干燥溫度在250?400°C之間，干燥后即得鍍銅石墨粉。
[0025]所述(d)步驟鍍銅石墨粉表面二次鍍銅時，反應(yīng)溫度控制在10?20V。
[0026]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0027](I)本發(fā)明方法采用特定的配方和工藝，制備得到的銅基復(fù)合材料不僅具有高的韌性，而且具有超高強(qiáng)度和超高耐磨性。
[0028](2)本發(fā)明采用特定的熱處理，有效地提高了產(chǎn)品的力學(xué)性能。
[0029](3)本發(fā)明制備的銅基復(fù)合材料不僅具有優(yōu)良的自潤滑性能，而且耐磨性能和力學(xué)性能特別優(yōu)秀。

【具體實(shí)施方式】
[0030]為了更好地理解本發(fā)明的內(nèi)容，下面結(jié)合具體實(shí)施例作進(jìn)一步說明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于對本發(fā)明進(jìn)一步說明，而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明所述的內(nèi)容后，該領(lǐng)域的技術(shù)人員對本發(fā)明作出一些非本質(zhì)的改動或調(diào)整，仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0031]實(shí)施例
[0032]實(shí)施例1制備鍍銅的石墨粉
[0033]準(zhǔn)備原料:人造石墨粉50kg，鍍銅的鍍覆比為0.5，計(jì)算得需要鍍銅的質(zhì)量為25kg。所述人造石墨粉粒徑為50um。
[0034]銅鹽溶液為由五水硫酸銅配制而成。銅鹽溶液以銅鹽的酸溶液的形式加入；即在銅鹽溶液中添加一定量的冰乙酸配制成特定PH值的銅鹽酸溶液。其中ph值為4的稱為五水硫酸銅酸溶液A, ph值為6的稱為五水硫酸銅酸溶液B。
[0035]采用以下步驟進(jìn)行鍍銅，包括:
[0036](a)、加入酒精將石墨粉和鐵粉混合均勻成混合物，鐵粉的粒度在250目以上，其加入量由石墨粉上需要鍍銅的量確定，鐵粉的加入量為通過理論上計(jì)算能將銅置換出來的量乘以1.05的系數(shù),石墨粉與酒精的質(zhì)量比為1:0.8 ;
[0037](b)、石墨粉表面一次鍍銅:在所述步驟(a)混合物中加入五水硫酸銅酸溶液A，邊加入邊攪拌，攪拌速率控制在50轉(zhuǎn)/分鐘，直到加入的五水硫酸銅溶液與鐵粉完全反應(yīng)為止;
[0038](C)添加粘結(jié)劑和添加劑；將所述步驟(b)所得物進(jìn)行洗滌過濾以除去生成的硫酸鐵，然后加氯化鋁3kg、氨水20ml、硅膠10kg，攪拌混合，以充分填充在未鍍上銅的石墨粉表面和鍍銅形成的孔隙中；
[0039](d)鍍銅石墨粉表面二次鍍銅:將備用的ph值為6的稱為五水硫酸銅酸溶液B緩慢加入(a)步驟所得物中，讓剩余的所有鐵粉得以充分反應(yīng)以在上述粉末的表面形成一層連續(xù)的銅層，銅鹽溶液邊加入攪拌，攪拌速率為50轉(zhuǎn)/分鐘；反應(yīng)溫度控制在20°C ；
[0040](e)鍍銅石墨粉洗滌處理:將所述步驟(d)得到的鍍銅石墨粉水洗滌至中性；
[0041](f)鍍銅石墨粉干燥處理:洗滌后的鍍銅石墨粉經(jīng)過離心機(jī)濾去其中水分，然后在氫氣氣氛中干燥，干燥溫度在250?400°C之間，干燥后即得鍍銅石墨粉。
[0042]實(shí)施例2采用化學(xué)鍍技術(shù)使碳纖維表面包覆鎳層
[0043]采用化學(xué)鍍技術(shù)使所述碳纖維表面包覆鎳層，所述碳纖維化學(xué)鍍的具體步驟為:
[0044]步驟A預(yù)處理:將碳纖維置于馬弗爐中進(jìn)行高溫灼燒，在300°C的溫度下灼燒30min進(jìn)行表面去膠，將去膠后的碳纖維置于10% NaOH溶液中，室溫?cái)嚢?5min進(jìn)行表面除油，用去離子水反復(fù)清洗至中性，在80°C溫度下干燥至恒重；進(jìn)行粗化處理，將除油后的碳纖維置于粗化液中，30°C溫度條件下電磁攪拌30min ;粗化液組成為:200g/1^(順4)25208(過二硫酸銨)，10mVLH2SO4 (密度為1.84g/cm3)，粗化后用去離子水洗至中性，在100°C溫度下干燥至恒重；
[0045]步驟B化學(xué)鍍:配置化學(xué)鍍液:化學(xué)鍍液由六水合硫酸鎳0.2mol/L,檸檬酸鈉
0.lmol/L,氯化銨0.05mol/L、次亞磷酸鈉0.283mol/L以及去離子水組成，用氨水調(diào)節(jié)化學(xué)鍍液PH為9 ;將步驟A預(yù)處理后的碳纖維置于化學(xué)鍍液中，同時加入5g的微米級鐵粉，調(diào)節(jié)溫度至60°C，中速攪拌120min;取出反應(yīng)后的碳纖維置于80°C的真空干燥箱中干燥1h,得到包覆金屬鎳層的碳纖維；其中預(yù)處理后的碳纖維質(zhì)量與化學(xué)鍍液的體積之比Ig:2000mL。
[0046]實(shí)施例3碳纖維增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料的制備
[0047]碳纖維增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料的制備方法，依次包括如下的步驟:
[0048]步驟一、稱取以下重量份數(shù)的配料:10份的石墨粉(實(shí)施例1制備得到)，10份的碳納米管，2.5份的碳纖維(實(shí)施例2制備得到)，1.2份的鎳粉、1.5份的Fe粉和200份的銅粉；所述鎳粉粉末粒度為150?200目，所述Fe粉粉末粒度為250?300目，所述銅粉粉末粒度為150?200目；再加入3重量份的潤滑劑進(jìn)行球磨混合，混合時間為3小時；得到混合料；
[0049]步驟二、將所述步驟一制備的混合料在700Mpa的壓力下壓制；得到毛坯；
[0050]步驟三、將所述步驟二制備的毛坯進(jìn)行二期燒結(jié)，所述二期燒結(jié)包括前期燒結(jié)和后期燒結(jié):前期燒結(jié)為真空燒結(jié)，先對爐內(nèi)抽真空，保證爐體內(nèi)的真空度在0.1Pa以下，然后對爐內(nèi)進(jìn)行加熱，在溫度為900°C下保溫0.5小時；后期燒結(jié)為IS氣氣氛燒結(jié),充入IS氣，使壓強(qiáng)達(dá)到20Mpa，在溫度850°C保溫0.5小時；得到燒結(jié)后的合金塊；
[0051]步驟四、將所述步驟三處理后的合金塊進(jìn)行熱處理；得到本發(fā)明所述的碳纖維增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料；
[0052]其中，所述熱處理工藝依次包括:等溫淬火、高頻淬火和回火；
[0053]所述等溫淬火工藝為:加熱至850?880°C保溫10?30min，然后在500?480°C等溫處理3?4h，水冷；
[0054]所述高頻淬火工藝為:溫度為900?1000°C，加熱速度為300?500°C /s ;加熱時間3?5s，同時加熱淬火，急速冷卻；
[0055]所述回火工藝為:在100?180°C，保溫60?120min。
[0056]實(shí)施例3制備得到的碳纖維增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料的產(chǎn)品性能測試:維氏硬度(HV)為90，沖擊韌性為70J/cm2，抗彎強(qiáng)度為500Mpa，電導(dǎo)率為90% IACS，滑動速率為lm/s滑動100m時20N載荷下的磨損量為1.7 X 10_2g、30N載荷下磨損量為2.072 X 10_2g、40N載荷下磨損量為2.5X10、。
[0057]如上所述，便可以較好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
【權(quán)利要求】
1.一種碳纖維增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，可以依次包括如下的步驟: 步驟一、稱取以下重量份數(shù)的配料:10份的石墨粉，10份的碳納米管，2.5份的碳纖維，1.2份的鎳粉、1.5份的Fe粉和200份的銅粉；所述鎳粉粉末粒度為150?200目，所述Fe粉粉末粒度為250?300目，所述銅粉粉末粒度為150?200目；再加入3重量份的潤滑劑進(jìn)行球磨混合，混合時間為3小時；得到混合料；所述碳纖維表面包覆有鎳層；所述石墨粉粒徑為50um，并且所述的石墨粉經(jīng)過化學(xué)鍍技術(shù)處理表面鍍有銅層； 步驟二、將所述步驟一制備的混合料在700Mpa的壓力下壓制；得到毛坯； 步驟三、將所述步驟二制備的毛坯進(jìn)行二期燒結(jié)，所述二期燒結(jié)包括前期燒結(jié)和后期燒結(jié):前期燒結(jié)為真空燒結(jié)，先對爐內(nèi)抽真空，保證爐體內(nèi)的真空度在0.1Pa以下，然后對爐內(nèi)進(jìn)行加熱，在溫度為900°C下保溫0.5小時；后期燒結(jié)為IS氣氣氛燒結(jié),充入IS氣,使壓強(qiáng)達(dá)到20Mpa，在溫度850°C保溫0.5小時；得到燒結(jié)后的合金塊； 步驟四、將所述步驟三處理后的合金塊進(jìn)行熱處理；得到本發(fā)明所述的碳纖維增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料； 其中，所述熱處理工藝依次包括:等溫淬火、高頻淬火和回火； 所述等溫淬火工藝為:加熱至850?880°C保溫10?30min，然后在500?480°C等溫處理3?4h,水冷； 所述高頻淬火工藝為:溫度為900?1000°C，加熱速度為300?500°C /s ;加熱時間3?5s,同時加熱淬火，急速冷卻； 所述回火工藝為:在100?180°C，保溫60?120min ； 其中，所述步驟一中，采用化學(xué)鍍技術(shù)使所述碳纖維表面包覆鎳層，并且所述碳纖維化學(xué)鍍的具體步驟為: 步驟A預(yù)處理:將碳纖維置于馬弗爐中進(jìn)行高溫灼燒，在300°C的溫度下灼燒30min進(jìn)行表面去膠，將去膠后的碳纖維置于10% NaOH溶液中，室溫?cái)嚢?5min進(jìn)行表面除油，用去離子水反復(fù)清洗至中性，在80°C溫度下干燥至恒重；進(jìn)行粗化處理，將除油后的碳纖維置于粗化液中，30°C溫度條件下電磁攪拌30min ;粗化液組成為:200g/L (NH4) 2S208 (過二硫酸銨)，10mVLH2SO4 (密度為1.84g/cm3)，粗化后用去離子水洗至中性，在100°C溫度下干燥至恒重； 步驟B化學(xué)鍍:配置化學(xué)鍍液:化學(xué)鍍液由六水合硫酸鎳0.2mol/L，檸檬酸鈉0.1mol/L，氯化銨0.05mol/L、次亞磷酸鈉0.283mol/L以及去離子水組成，用氨水調(diào)節(jié)化學(xué)鍍液PH為9 ;將步驟A預(yù)處理后的碳纖維置于化學(xué)鍍液中，同時加入5g的微米級鐵粉，調(diào)節(jié)溫度至60°C，中速攪拌120min ;取出反應(yīng)后的碳纖維置于80°C的真空干燥箱中干燥10h，得到包覆金屬鎳層的碳纖維；其中預(yù)處理后的碳纖維質(zhì)量與化學(xué)鍍液的體積之比Ig:2000mL。
2.權(quán)利要求1所述的碳纖維增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述潤滑劑為硬脂酸鋅。
3.權(quán)利要求1所述的碳纖維增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述石墨粉為人造石墨粉或天然石墨粉；所述銅的鍍覆質(zhì)量比為0.5。
4.權(quán)利要求3所述的碳纖維增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述石墨粉采用以下步驟進(jìn)行鍍銅，包括: (a)、加入酒精將石墨粉和鐵粉混合均勻成混合物，鐵粉的粒度在250目以上，其加入量由石墨粉上需要鍍銅的量確定，鐵粉的加入量為通過理論上計(jì)算能將銅置換出來的量乘以1.02?1.05的系數(shù)，石墨粉與酒精的質(zhì)量比為1:0.8?1.2 ; (b)、石墨粉表面一次鍍銅:在所述步驟(a)混合物中加入銅鹽溶液，銅鹽溶液總的加入量根據(jù)石墨粉上需要鍍銅的量確定，第一次銅鹽溶液加入量為總加入質(zhì)量的20%?40%，加入的銅鹽溶液為ph值在I?4之間的酸溶液，銅鹽酸溶液邊加入邊攪拌，攪拌速率控制在50轉(zhuǎn)/分鐘，直到加入的銅鹽溶液與鐵粉完全反應(yīng)為止；所述銅鹽酸溶液是指銅鹽溶液中添加冰乙酸配制而成； (c)添加粘結(jié)劑和添加劑；將所述步驟(b)所得物進(jìn)行洗滌過濾，然后加入適量粘結(jié)齊U，攪拌混合，添加劑和粘結(jié)劑的加入量以保證其充分填充在未鍍上銅的石墨粉表面和鍍銅形成的孔隙中；所述添加劑為氫氧化鋁；所述粘結(jié)劑為硅膠； (d)鍍銅石墨粉表面二次鍍銅:將剩余的60?80%的銅鹽溶液配制成ph值在5?6之間的酸溶液緩慢加入(c)步驟所得物中，讓剩余的所有鐵粉得以充分反應(yīng)以在上述粉末的表面形成一層連續(xù)的銅層，銅鹽溶液邊加入攪拌，攪拌速率為50轉(zhuǎn)/分鐘； (e)鍍銅石墨粉洗滌處理:將所述步驟(d)得到的鍍銅石墨粉水洗滌至中性； (f)鍍銅石墨粉干燥處理:洗滌后的鍍銅石墨粉經(jīng)過離心機(jī)濾去其中水分，然后在氫氣氣氛中干燥，干燥溫度在250?400°C之間，干燥后即得鍍銅石墨粉。
5.碳纖維增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料，采用上述任意一項(xiàng)權(quán)利要求制備得到。
【文檔編號】C22C121/02GK104388847SQ201410720603
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月2日
【發(fā)明者】姚國強(qiáng) 申請人:寧波新睦新材料有限公司