本發(fā)明屬于復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種碳納米管增強鎢銅復(fù)合材料的制備方法。

背景技術(shù)：

鎢銅(wcu)復(fù)合材料因同時兼具鎢高熔點、高硬度以及較低的熱膨脹系數(shù)和銅良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能，被廣泛用作超高壓(特高壓)電觸頭、熱沉材料、焊接電極和傳導(dǎo)及高溫部件。隨著其服役環(huán)境的不斷惡化以及對其服役壽命要求的不斷增長，對wcu復(fù)合材料提出了更加苛刻的要求。特別是作為高頻次開合用弧觸頭，除了常規(guī)的導(dǎo)熱、導(dǎo)電以及耐電弧燒蝕性能，對wcu復(fù)合材料的高溫強度及耐磨性提出了更高的要求。wc陶瓷顆粒與w在許多方面有著相似的性質(zhì)，如相近的熔點、線膨脹系數(shù)，較好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能。除此之外，wc作為一種陶瓷耐磨相，用其來增強wcu復(fù)合材料，復(fù)合材料的耐電弧燒蝕性能、高溫強度等性能均得到顯著提高。但wc作為一種外加顆粒，制備過程中會影響鎢骨架的完整性，進而影響wcu復(fù)合材料的性能發(fā)揮。

碳納米管(cnts)因其特殊的管狀結(jié)構(gòu)以及優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)等性能，通常被用作強化聚合物、金屬、陶瓷以及復(fù)合材料的綜合性能。本發(fā)明將cnts作為一種碳源加入wcu復(fù)合材料中，期望制備一種cnts及其原位自生碳化鎢混雜增強wcu復(fù)合材料，充分發(fā)揮cnts優(yōu)異的結(jié)構(gòu)特性以及碳化鎢陶瓷相優(yōu)異的性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種碳納米管增強鎢銅復(fù)合材料的制備方法，用于制備碳納米管及其原位自生碳化鎢混雜增強wcu復(fù)合材料，以提高wcu復(fù)合材料的耐電弧燒蝕性能、耐磨性及高溫強度。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種碳納米管增強鎢銅復(fù)合材料的制備方法，具體按以下步驟實施：

步驟1，混粉：

將鎢粉、銅粉以及碳納米管按比例加入高能球磨機中球磨混合均勻，得到cnts彌散分布的wcu混合粉末；

步驟2，壓制：

對步驟1得到的混合粉末進行壓制，得到復(fù)合材料生坯；

步驟3，液相燒結(jié)和熔滲：

將步驟2得到的復(fù)合材料生坯在高溫氫氣氣氛燒結(jié)爐中進行液相燒結(jié)和熔滲，即得到碳納米管及其原位自生碳化鎢混雜增強鎢銅復(fù)合材料。

本發(fā)明的特點還在于，

步驟1中鎢粉、銅粉和碳納米管按質(zhì)量百分比分別為鎢粉72％～79％、銅粉20％～25％、碳納米管1％～3％，以上組分質(zhì)量百分比之和為100％。

步驟1中碳納米管為多壁碳納米管，其是由石墨片層卷曲而成的，其規(guī)格為直徑＜8mm、長度為0.5～2μm。

步驟1中鎢粉的平均粒徑為400～800nm，銅粉的平均粒徑為55～75μm。

步驟1中球磨過程中球料比為3～10：1，轉(zhuǎn)速為200～400r/min，混合時間為8～12h。

步驟2中壓制要求為壓制后生坯的致密度為40％～60％。

步驟2中壓制壓力為200～400mpa，保壓時間為30～90s。

步驟3中液相燒結(jié)和熔滲，具體為：以15～25℃/min的加熱速度進行加熱，當(dāng)溫度達到1300～1400℃時，保溫40～120min后隨爐冷卻。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明通過高能球磨工藝，使cnts彌散分布在鎢顆粒及銅顆粒表面，由于cnts之間強大的范德華力，顆粒表面的cnts會發(fā)生團聚，彌散分布在鎢顆?；蜚~顆粒表面局部區(qū)域；在高溫?zé)Y(jié)過程中，鎢顆粒表面的碳源與鎢發(fā)生原位反應(yīng)生成wc或w2c相，銅顆粒表面的碳源會彌散分布在銅相中。因此，鎢顆粒表面生成的碳化鎢相(wc或w2c)可以提高wcu復(fù)合材料的耐電弧燒蝕性能、耐磨性和高溫強度；而銅相中cnts可以最終保留在銅相中，不僅提高了銅相的力學(xué)性能，在摩擦磨損過程中cnts還可以起到自潤滑作用，改善wcu復(fù)合材料的耐磨性。cnts和碳化鎢相(wc或w2c)的共同作用可提高wcu復(fù)合材料的耐電弧燒蝕性能、耐磨性及高溫強度等性能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例3制備得到的混合粉末的tem照片，其中圖a為混合粉末的tem照片，圖b為圖a中圈出區(qū)域的高分辨照片；

圖2是本發(fā)明實施例3制備得到的wcu復(fù)合材料的sem形貌圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

本發(fā)明一種碳納米管增強鎢銅復(fù)合材料的制備方法，具體按以下步驟實施：

步驟1，混粉：

將鎢粉、銅粉以及碳納米管(cnts)按質(zhì)量百分比：w粉72％～79％、銅粉20％～25％、碳納米管1％～3％，以上組分質(zhì)量百分比之和為100％，配比，按照3～10：1的球料比在高能球磨機中以200～400r/min的轉(zhuǎn)速混合8～12h，使其混合均勻，得到cnts彌散分布的wcu混合粉末。

所用碳納米管為多壁碳納米管，其是由石墨片層卷曲而成的，其規(guī)格為直徑＜8mm、長度為0.5～2μm。

所用w粉的平均粒徑為400～800nm，cu粉的平均粒徑為55～75μm。

步驟2，壓制：

將步驟1得到的混合粉末在液壓機上進行預(yù)壓制、保壓，得到復(fù)合材料生坯。

預(yù)壓制要求為壓制后生坯的致密度為40％～60％，預(yù)壓制壓力為200～400mpa，保壓時間為30～90s。

步驟3，液相燒結(jié)和熔滲：

將步驟2得到的復(fù)合材料生坯以15～25℃/min的加熱速度在微機程控高溫氫氣氣氛燒結(jié)爐中加熱，當(dāng)溫度達到1300～1400℃時，保溫40～120min后隨爐冷卻，即得到cnts及其原位自生碳化鎢混雜增強wcu復(fù)合材料。

本發(fā)明通過高能球磨工藝，使cnts彌散分布在鎢顆粒及銅顆粒表面，由于cnts之間強大的范德華力，顆粒表面的cnts會發(fā)生團聚，彌散分布在鎢顆?；蜚~顆粒表面局部區(qū)域；在高溫?zé)Y(jié)過程中，鎢顆粒表面的碳源與鎢發(fā)生原位反應(yīng)生成wc或w2c相，銅顆粒表面的碳源會彌散分布在銅相中。因此，鎢顆粒表面生成的碳化鎢相(wc或w2c)可以提高wcu復(fù)合材料的耐電弧燒蝕性能、耐磨性和高溫強度；而銅相中cnts可以最終保留在銅相中，不僅提高銅相的力學(xué)性能，在摩擦磨損過程中cnts還可以起到自潤滑作用，改善wcu復(fù)合材料的耐磨性。cnts和碳化鎢相(wc或w2c)的共同作用可提高wcu復(fù)合材料的耐電弧燒蝕性能、耐磨性及高溫強度等性能。

實施例1

步驟1，混粉：

將鎢粉、銅粉以及cnts按照79％w、20％cu和1％cnts配比后，按照10：1的球料比在高能球磨機中以200r/min的轉(zhuǎn)速混合12h使其混合均勻，得到cnts彌散分布的wcu混合粉末；

步驟2，壓制：

將步驟1得到的混合粉末按照壓制后生坯的致密度為40％，預(yù)壓制壓力為200mpa，保壓時間為90s，在液壓機上對其進行預(yù)壓制、保壓，得到復(fù)合材料生坯；

步驟3，液相燒結(jié)和熔滲：

將步驟2得到的復(fù)合材料生坯以25℃/min的加熱速度在微機程控高溫氫氣氣氛燒結(jié)爐中進行加熱，當(dāng)溫度達到1300℃時，保溫120min后隨爐冷卻，即得到cnts及其原位自生碳化鎢混雜增強wcu復(fù)合材料。

實施例2

步驟1，混粉：

將鎢粉、銅粉以及cnts按照75％w、23％cu和2％cnts配比后，按照3：1的球料比在高能球磨機中以300r/min的轉(zhuǎn)速混合10h使其混合均勻，得到cnts彌散分布的wcu混合粉末；

步驟2，壓制：

將步驟1得到的混合粉末按照壓制后生坯的致密度為60％，預(yù)壓制壓力為400mpa，保壓時間為60s，在液壓機上對其進行預(yù)壓制、保壓，得到復(fù)合材料生坯；

步驟3，液相燒結(jié)和熔滲：

將步驟2得到的復(fù)合材料生坯以20℃/min的加熱速度在微機程控高溫氫氣氣氛燒結(jié)爐中進行加熱，當(dāng)溫度達到1400℃時，保溫80min后隨爐冷卻，即得到cnts及其原位自生碳化鎢混雜增強wcu復(fù)合材料。

實施例3

步驟1，混粉：

將鎢粉、銅粉以及cnts按照72％w、25％cu和3％cnts配比后，按照5：1的球料比在高能球磨機中以400r/min的轉(zhuǎn)速混合8h使其混合均勻，得到cnts彌散分布的wcu混合粉末；

步驟2，壓制：

將步驟1得到的混合粉末按照壓制后生坯的致密度為50％，預(yù)壓制壓力為340mpa，保壓時間為30s，在液壓機上對其進行預(yù)壓制、保壓，得到復(fù)合材料生坯；

步驟3，液相燒結(jié)和熔滲：

將步驟2得到的復(fù)合材料生坯以15℃/min的加熱速度在微機程控高溫氫氣氣氛燒結(jié)爐中進行加熱，當(dāng)溫度達到1350℃時，保溫40min后隨爐冷卻，即得到cnts及其原位自生碳化鎢混雜增強wcu復(fù)合材料。

圖1為本發(fā)明實施例3制備得到混合粉末的tem照片?？梢钥闯?，cnts彌散附著在復(fù)合粉末的表面，且有一些小顆粒被cnts所包覆。圖1b為圖1a中圈出區(qū)域的高分辨照片，圖1b右下角插圖為cnts的特征衍射環(huán)?？梢钥闯?，碳納米管雜亂無章的纏繞在一起，并且其中空管狀結(jié)構(gòu)已不存在。這主要是由于高能球磨過程中混合粉末與磨球的機械撞擊作用使得cnts結(jié)構(gòu)發(fā)生變化引起的。圖2是本發(fā)明實施例3制備得到的cnts及其原位自生碳化鎢混雜增強wcu復(fù)合材料的sem形貌圖?？梢钥闯?，復(fù)合材料中出現(xiàn)了一些棱角形的大顆粒。經(jīng)檢測，cnts及其原位自生碳化鎢混雜增強wcu復(fù)合材料50次電擊穿后的平均耐電弧擊穿強度相比未添加cnts的wcu復(fù)合材料提高了43％，室溫時的抗壓強度提高了55.7％，900℃環(huán)境下的抗壓強度提高了18％，室溫時的平均摩擦系數(shù)降低了66％，同時其質(zhì)量損失率降低了65％。因此，cnts及其原位自生碳化鎢混雜增強wcu復(fù)合材料的耐電弧燒蝕性能、耐磨性及高溫強度等性能均得到顯著改善。