專利名稱：一種炭/炭/銅復(fù)合材料及其生產(chǎn)工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于高導(dǎo)電性和耐磨性領(lǐng)域中材料，具體地說是 一種炭/炭/銅復(fù)合材料及其生產(chǎn)工藝。
背景技術(shù)：
炭纖維一銅基復(fù)合材料由于綜合了銅的良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性及炭纖 維的高比強度、比模量、低熱膨脹系數(shù)及良好的潤滑性，具備了較高 的強度、良好的傳導(dǎo)性、減磨耐磨性、耐蝕性、耐電弧燒蝕性和抗熔 焊性等一系列優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于電子元件材料、滑動材料、觸頭 材料，集成電路散熱板及耐磨器件等領(lǐng)域，是一類很有發(fā)展前途的新 型功能材料。目前，制備炭纖維一銅基復(fù)合材料主要采用以下幾種工 藝粉末冶金法、熱壓法、擠壓鑄造法等。粉末冶金法制備炭纖維一 銅基復(fù)合材料，存在生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)工藝復(fù)雜等不足， 一般只適用 于纖維含量較低的短纖維一銅基復(fù)合材料；熱壓法相對粉末冶金法， 對纖維損傷小，制得的材料性能較佳，但設(shè)備昂貴，成本高，不易批 量生產(chǎn)，在工業(yè)上較難推廣；擠壓鑄造法制備炭纖維一銅基復(fù)合材料 是一種有效方法，工藝參數(shù)易于控制，性能穩(wěn)定，制備成本低，合理 控制工藝參數(shù)可以制備出高性能的復(fù)合材料，但在獲得良好制備性能 的復(fù)合材料方面還存在很多不足，擠壓鑄造過程易產(chǎn)生幾大缺陷纖 維體積含量難以控制，易造成炭纖維的偏聚；高壓作用下，造成很大 的應(yīng)力集中，纖維與纖維界面脆性接觸，裂紋易迅速擴展造成低應(yīng)力破壞。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種生產(chǎn)工藝易控制，產(chǎn)品均質(zhì)性好，具有 優(yōu)良綜合性能的炭/炭/銅復(fù)合材料及其生產(chǎn)工藝。
本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)其發(fā)明目的的，將短炭纖維通過 無紡技術(shù)制備成網(wǎng)胎，將長纖維通過紡織技術(shù)制備成炭布，然后通過 針刺技術(shù)將兩者復(fù)合成預(yù)制件(復(fù)合時根據(jù)工藝需要加入銅粉或銅合 金粉)，再經(jīng)過化學(xué)氣相沉積(滲透)和/或浸漬等技術(shù)，或采用隨后的 真空壓力滲銅技術(shù)，使不同形態(tài)的碳、銅或銅合金復(fù)合成一體而制成 炭/炭/銅復(fù)合材料。
一種炭/炭/銅復(fù)合材料，以重量100%計，炭/炭復(fù)合材料與銅或 銅合金的重量比為15 75: 8 5 2 5。
所述的炭/炭/銅復(fù)合材料增密后表觀密度為1. 3 g/cm3 6. 2g/ cm3，電阻率為lu Qm 26u Qm，肖式硬度為40 85，抗彎強度為 35MPa 150MPa。
其生產(chǎn)工藝，包括以下步驟
(1) 開松成網(wǎng)按配比選取6咖 70咖長的短炭纖維，經(jīng)開松設(shè) 備開松成蓬松的單根狀纖維，然后把開松好的炭纖維經(jīng)氣流成網(wǎng)和/ 或梳理成網(wǎng)，再利用鋪網(wǎng)機鋪成纖維網(wǎng)，預(yù)剌成網(wǎng)胎，所述網(wǎng)胎的面 密度為50 g/m2 100g/m2;
(2) 疊層針刺復(fù)合把經(jīng)步驟(l)所得的網(wǎng)胎平鋪在工作臺上，將按
配比選取的銅粉或銅合金粉均勻撒于網(wǎng)胎上，然后鋪層炭布，再在炭 布上面鋪層網(wǎng)胎，通過針刺，包裹固定銅粉或銅合金粉，如此重復(fù)制成所需要求的炭/炭/銅復(fù)合材料預(yù)制件，所述炭布的面密度為200 g/m2 300g/m2;
(3)增密將步驟(2)所得的預(yù)制件增密成炭/炭/銅復(fù)合材料。
本發(fā)明的步驟(2)還可以為把經(jīng)步驟(1)所得的網(wǎng)胎平鋪在工作臺上，將按配比選取的銅粉或銅合金粉均勻撒于網(wǎng)胎上，再鋪層網(wǎng)胎，通過針刺，包裹固定銅粉或銅合金粉，如此重復(fù)制成所需要求的炭/炭/銅復(fù)合材料預(yù)制件。
本發(fā)明在步驟(2)中，針刺工藝為針剌深度7 15mm;針刺密度3 10次/cm 2。
本發(fā)明的另一種生產(chǎn)工藝還可以采用以下步驟
(1) 開松成網(wǎng)按配比選取6咖 70咖長的短炭纖維，經(jīng)開松設(shè) 備開松成蓬松的單根狀纖維，然后把開松好的炭纖維經(jīng)氣流成網(wǎng)和/ 或梳理成網(wǎng)，再利用鋪網(wǎng)機鋪成纖維網(wǎng)，預(yù)刺成網(wǎng)胎，所述網(wǎng)胎的面 密度為50 g/m2 100g/m2;
(2) 疊層針刺復(fù)合把經(jīng)步驟(l)所得的網(wǎng)胎平鋪在工作臺上，在其上面鋪層炭布，然后再鋪層網(wǎng)胎，通過針刺使其復(fù)合，如此重復(fù)制成所需要求的炭/炭復(fù)合材料預(yù)制件，所述炭布的面密度為200 g/m2 300g/m2;
(3) 增密將步驟(2)所得的預(yù)制件增密成所需密度和孔隙度的坯體；
(4) 滲銅將步驟(3)所得坯體和按配比選取的銅或銅合金放入真空熔煉爐中，使銅或銅合金液滲入坯體之中制成炭/炭/銅復(fù)合材料。
本發(fā)明在步驟(2)中，針刺工藝為針刺深度7 15mm;針刺密度3
10次/cm 2。
本發(fā)明在步驟(4)中，首先將真空熔煉爐升溫使銅或銅合金熔化， 然后通入惰性氣體，使銅液或銅合金液在1.2X105Pa 3Xl()5pa壓 力下滲入到坯體中制成炭/炭/銅復(fù)合材料。
由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明較好的實現(xiàn)了發(fā)明目的，其生產(chǎn) 工藝簡單易控，具有良好的制備性能，制成的復(fù)合材料具有優(yōu)良的耐 磨性和適宜的導(dǎo)電性，還具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐燒蝕 等特點，可應(yīng)用于高導(dǎo)電性和耐磨性領(lǐng)域；如用該材料制造的電刷明 顯提高了電刷的電學(xué)和力學(xué)性能，電刷的磨損量低于0. 18 mm / 50h， 而目前所用電刷的磨損量一般高于0. 20 mm / 50h。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
實施例1:
一種炭/炭/銅復(fù)合材料，以重量100%計，炭/炭復(fù)合材料與銅或 銅合金(本實施例采用銅粉)的重量比為15 75 (本實施例為75): 8 5 2 5 (本實施例為25)，所述炭/炭/銅復(fù)合材料增密后表觀密 度為1. 3 g/cm 3 6. 2g/cm 3 (本實施例為2. 5 g/cm 3)，電阻率為1 u Qm 26u Qm (本實施例為20u Qm)，肖式硬度為40 85 (本實施 例為80)，抗彎強度為35Mpa 150Mpa .(本實施例為130Mpa)。 其生產(chǎn)工藝包括以下步驟
(l)開松成網(wǎng)按配比選取6咖 70咖長的短炭纖維，經(jīng)開松設(shè) 備開松成蓬松的單根狀纖維，然后把開松好的炭纖維經(jīng)氣流成網(wǎng)和/ 或梳理成網(wǎng)(本實施例采用氣流成網(wǎng)和梳理成網(wǎng))，再利用鋪網(wǎng)機鋪成纖維網(wǎng)，預(yù)刺成網(wǎng)胎；所述網(wǎng)胎的面密度為70 g/ltf。
(2) 疊層針刺復(fù)合把經(jīng)步驟(l)所得的網(wǎng)胎平鋪在工作臺上，將按 配比選取的銅或銅合金(本實施例采用銅粉)均勻撒于網(wǎng)胎上，然后 鋪層炭布，再在炭布上面鋪層網(wǎng)胎，通過針刺，包裹固定銅粉，如此 重復(fù)制成所需要求的炭/炭/銅復(fù)合材料預(yù)制件；所述炭布的面密度 為220g/ m2
(3) 增密將步驟(2)所得的預(yù)制件增密成炭/炭/銅復(fù)合材料。增
密工藝采用但不限于化學(xué)氣相滲透(沉積)和液相浸漬相結(jié)合的增密 工藝，使其密度達(dá)到2.5 g/cm3。
本發(fā)明在步驟(2)中，針刺工藝為針刺深度9 mm;針剌密度5次/
一 2
cm 。
制成的炭/炭/銅復(fù)合材料可用于高導(dǎo)電性和耐磨性領(lǐng)域，如制 造電機電刷、電力機車滑板等。
實施例2:
以重量100%計，炭/炭復(fù)合材料與銅或銅合金(本實施例采用銅 -錫合金粉)的重量比為60: 40，所述炭/炭/銅復(fù)合材料增密后表 觀密度為4. 0 g/cm 3 ，電阻率為25uQm，抗彎強度為45MPa，肖氏 硬度為50。
其生產(chǎn)工藝在步驟(l)中，所述網(wǎng)胎的面密度為85g/nf。 步驟(2)為把經(jīng)步驟(l)所得的網(wǎng)胎平鋪在工作臺上，將按配比選取 的銅-錫合金粉均勻撒于網(wǎng)胎上，再鋪層網(wǎng)胎，通過針剌，包裹固定 銅-錫合金粉，如此重復(fù)制成所需要求的炭/炭/銅復(fù)合材料預(yù)制件。 其針刺工藝為針刺深度12 mm;針刺密度7次/cm2。
增密工藝采用液相浸漬，使其密度達(dá)到4.0 g/cm3。
余同實施例1。
制成的炭/炭/銅復(fù)合材料可用于高導(dǎo)電性和耐磨性領(lǐng)域，如制 造電機電刷、電力機車滑板等。
實施例3:
一種炭/炭/銅復(fù)合材料，以重量100%計，炭/炭復(fù)合材料與銅或 銅合金(本實施例采用銅粉)的重量比為15 75 (本實施例為20): 8 5 25 (本實施例為80)，所述炭/炭/銅復(fù)合材料增密后表觀密 度為1. 3 g/cm 3 6. 2g/cm 3 (本實施例為6. 2 g/cm 3)，電阻率為1 u Qm 26u Qm (本實施例為5u Qm)，肖式硬度為40 85 (本實施例 為45)，抗彎強度為35Mpa 150Mpa (本實施例為65Mpa)。
其生產(chǎn)工藝包括以下步驟-
(1) 開松成網(wǎng)按配比選取6 mm 70咖長的短炭纖維，經(jīng)開松設(shè) 備開松成蓬松的單根狀纖維，然后把開松好的炭纖維經(jīng)氣流成網(wǎng)和/ 或梳理成網(wǎng)(本實施例采用氣流成網(wǎng)和梳理成網(wǎng))，再利用鋪網(wǎng)機鋪 成纖維網(wǎng)，預(yù)刺成網(wǎng)胎，所述網(wǎng)胎的面密度為60g/ltf;
(2) 疊層針刺復(fù)合把經(jīng)步驟(l)所得的網(wǎng)胎平鋪在工作臺上，在其 上面鋪層炭布，然后再鋪層網(wǎng)胎，通過針刺使其復(fù)合，如此重復(fù)制成 所需要求的炭/炭復(fù)合材料預(yù)制件，所述炭布的面密度為260g/ m2;
(3) 增密將步驟(2)所得的預(yù)制件增密成所需密度和孔隙度的坯
體；
增密工藝采用但不限于化學(xué)氣相滲透(沉積)，控制增密條件可 制得所需要求(通常為孔隙度)的坯體。
(4)滲銅將步驟(3)所得坯體和按配比選取的銅放入真空熔煉爐
中，使銅滲入坯體之中制成炭/炭/銅復(fù)合材料。
本發(fā)明在步驟(2)中，針刺工藝為針刺深度13咖；針刺密度10次 /cm2。
本發(fā)明在步驟(4)中，首先將真空熔煉爐升溫使銅熔化，在通入惰 性氣體，加壓至1.2X105Pa 3X105Pa (本實施例為2X105Pa ) 情況下，使銅液滲入到坯體中制成炭/炭/銅復(fù)合材料。
控制坯體孔隙度和滲銅工藝參數(shù)可制取不同銅含量的炭/炭/ 銅復(fù)合材料。
制成的炭/炭/銅復(fù)合材料可用于高導(dǎo)電性和耐磨性領(lǐng)域，如制 造電機電刷、電力機車滑板等。
實施例4:
以重量100%計，炭/炭復(fù)合材料與銅或銅合金(本實施例采用銅 -錫合金粉)的重量比為70: 30，所述炭/炭/銅復(fù)合材料增密后表 觀密度為3.0 g/cm 3 ,電阻率為15u Qm，抗彎強度為lOOMPa，肖 氏硬度為60。
在步驟(4)中，首先將真空熔煉爐升溫使銅-錫合金熔化，在通入 惰性氣體，加壓至2X105pa情況下，使銅-錫合金液滲入到坯體中制 成炭/炭/銅復(fù)合材料。
余同實施例3。
制成的炭/炭/銅復(fù)合材料可用于高導(dǎo)電性和耐磨性領(lǐng)域，如制 造電機電刷、電力機車滑板等。
權(quán)利要求
1、一種炭/炭/銅復(fù)合材料，其特征是以重量100％計，炭/炭復(fù)合材料與銅或銅合金的重量比為15～75∶85～25。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的炭/炭/銅復(fù)合材料，其特征是所述炭 /炭/銅復(fù)合材料增密后表觀密度為1. 3 g/cm 3 6. 2g/cm 3，電阻率 為lu Qm 26u Qm，肖式硬度為40 85，抗彎強度為35MPa 150MPa。
3、 一種生產(chǎn)如權(quán)利要求1或2所述炭/炭/銅復(fù)合材料的生產(chǎn)工 藝，其特征是包括以下步驟(1) 開松成網(wǎng)按配比選取6 im 70咖長的短炭纖維，經(jīng)開松設(shè) 備開松成蓬松的單根狀纖維，然后把開松好的炭纖維經(jīng)氣流成網(wǎng)和/ 或梳理成網(wǎng)，再利用鋪網(wǎng)機鋪成纖維網(wǎng)，預(yù)剌成網(wǎng)胎，所述網(wǎng)胎的面 密度為50 g/m2 100g/m2;(2) 疊層針剌復(fù)合把經(jīng)步驟(l)所得的網(wǎng)胎平鋪在工作臺上，將按配比選取的銅粉或銅合金粉均勻撒于網(wǎng)胎上，然后鋪層炭布，再在炭 布上面鋪層網(wǎng)胎，通過針刺，包裹固定銅粉或銅合金粉，如此重復(fù)制成所需要求的炭/炭/銅復(fù)合材料預(yù)制件，所述炭布的面密度為200 g/m2 300g/m2;(3) 增密將步驟(2)所得的預(yù)制件增密成炭/炭/銅復(fù)合材料。
4、 一種生產(chǎn)如權(quán)利要求1或2所述炭/炭/銅復(fù)合材料的生產(chǎn)工 藝，其特征是包括以下步驟(l)開松成網(wǎng)按配比選取6咖 70 mm長的短炭纖維，經(jīng)開松設(shè) 備開松成蓬松的單根狀纖維，然后把開松好的炭纖維經(jīng)氣流成網(wǎng)和/ 或梳理成網(wǎng)，再利用鋪網(wǎng)機鋪成纖維網(wǎng)，預(yù)刺成網(wǎng)胎，所述網(wǎng)胎的面密度為50 g/m2 100g/m2;(2) 疊層針刺復(fù)合把經(jīng)步驟(l)所得的網(wǎng)胎平鋪在工作臺上，在其 上面鋪層炭布，然后再鋪層網(wǎng)胎，通過針刺使其復(fù)合，如此重復(fù)制成 所需要求的炭/炭復(fù)合材料預(yù)制件，所述炭布的面密度為200 g/nf 300g/m2;(3) 增密將步驟(2)所得的預(yù)制件增密成所需密度和孔隙度的坯體；(4) 滲銅將步驟(3)所得坯體和按配比選取的銅或銅合金放入真空 熔煉爐中，使銅或銅合金液滲入坯體之中制成炭/炭/銅復(fù)合材料。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述炭/炭/銅復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝，其特征 是在步驟(2)中，針刺工藝為針刺深度7 15mm;針刺密度3 10次/ cm 0
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述炭/炭/銅復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝，其特征 是在步驟(2)中，針剌工藝為針刺深度7 15mm;針刺密度3 10次/cm.
7、 根據(jù)權(quán)利要求3所述炭/炭/銅復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝，其特征 是步驟(2)為把經(jīng)步驟(1)所得的網(wǎng)胎平鋪在工作臺上，將按配比選取的 銅粉或銅合金粉均勻撒于網(wǎng)胎上，再鋪層網(wǎng)胎，通過針刺，包裹固定 銅粉或銅合金粉，如此重復(fù)制成所需要求的炭/炭/銅復(fù)合材料預(yù)制 件。
8、 根據(jù)權(quán)利要求4所述炭/炭/銅復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝，其特征 是在步驟(4)中，首先將真空熔煉爐升溫使銅或銅合金熔化，然后通入 惰性氣體，使銅液或銅合金液在1.2X105Pa 3Xl()5pa壓力下滲入 到坯體中制成炭/炭/銅復(fù)合材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種生產(chǎn)工藝易控制，產(chǎn)品均質(zhì)性好，具有優(yōu)良綜合性能的炭/炭/銅復(fù)合材料，其特征是以重量100％計，炭/炭復(fù)合材料與銅或銅合金的重量比為15～75∶85～25；其生產(chǎn)工藝為將制備的網(wǎng)胎與炭布通過針刺復(fù)合成預(yù)制件，再經(jīng)過增密(或真空壓力滲銅)，使不同形態(tài)的碳、銅或銅合金復(fù)合成一體而制成炭/炭/銅復(fù)合材料；本發(fā)明生產(chǎn)工藝簡單易控，制成的復(fù)合材料具有優(yōu)良的耐磨性和適宜的導(dǎo)電性，還具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐燒蝕等特點，可應(yīng)用于高導(dǎo)電性和耐磨性領(lǐng)域；如用該材料制造的電刷的磨損量低于0.18mm/50h，而目前所用電刷的磨損量一般高于0.20mm/50h。
文檔編號C22C49/00GK101195899SQ20071003595
公開日2008年6月11日 申請日期2007年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月22日
發(fā)明者廖寄喬, 王躍軍, 邰衛(wèi)平 申請人:湖南博云高科技有限公司