[发明专利]高体积分数C/Cu复合材料的低压辅助熔渗制备方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及材料领域，是一种高碳体积分数C/Cu复合材料的低压辅助熔渗制备方法。

二、背景技术

C/Cu复合材料由于具有良好的导电、导热和耐磨性能，因此应用十分广泛，其中的C(金刚石)/Cu复合材料长期用于制造金刚石工具，而C(石墨)/Cu复合材料广泛用于集电电刷和部分低压开关中的弧触头，新型的C(碳纤维)/Cu复合材料还有望用于载流元件如电力机车受电弓滑板。但是，由于高温下各种类型的碳素与铜及铜合金熔液的润湿角约136～170°，润湿性极差。从而导致C/Cu复合材料界面相容性差，C/Cu复合材料的致密度差、孔隙度高，严重影响了复合材料的性能。这一点在用粉末冶金法制造的C/Cu复合材料上尤为突出。

目前，为了满足对C/Cu复合材料的需求，也研究了一些制造C/Cu复合材料的方法。传统上采用粉末冶金法制造C/Cu复合材料，通常加入Pb粉以增加C和Cu的粉体间的结合强度。这样做复合材料的密度高，质量重，而且Pb对环境有污染。

近年来，还有人采用对碳材料表面进行涂层处理的技术，以期改善C/Cu复合材料的湿润角，从而进一步改善C/Cu复合材料的性能。常用的方法有①化学气相沉积(CVD法)，但该方法对设备要求高，工艺复杂，易氧化；②化学镀Ni-W、Co-W等合金，其中的Ni合金加热处理会造成碳纤维产生无定形石墨化损伤，而且化学镀工艺复杂对环境污染大同时也容易氧化；③Cr粉末埋覆渗、④真空镀和⑤磁控溅射Ti、W、Cr等并加热处理。上述方法中真空镀和磁控溅射法成本高昂、效率低；CVD法、化学镀和Cr粉末埋覆渗对环境还存在污染。另外由于涂层的影响，采用这些方法制成的C/Cu复合材料的导电性能比较差，使用受到很大的限制。同时上述方法除CVD法、化学镀可对碳纤维进行均匀涂覆涂层外，其余方法均不能在碳纤维上实施均匀涂覆涂层。

在公开号为CN1435503A的发明专利中，发明人公开了一种提高C/Cu界面结合特性的碳化物涂层及其工艺，该发明通过一种化学的方法获得了可靠的新型碳化物润湿性涂层，并可以在各种形状，如碳颗粒、碳纤维、碳纳米管等，不同类型的碳素材 料上，如金刚石、石墨、无定形碳、富勒烯等同素异形体上涂覆碳化物润湿涂层。

但是，涂层法很难涂覆整体碳结构，必须先对分散的碳材，如颗粒状、纤维状的碳材料涂层后再用粉末冶金制备块材，故而限制了其生产应用。

传统上，为制备块状的C/Cu复合材料，还采用高压浸渗工艺，即在高压作用下，将熔化的Cu合金或Sn、Pb合金浸渗入碳的预制体。这种方法所用设备庞大笨重，工艺复杂，材料成本高，导电性能差。

在研究领域，国内有人采用加铜钛二元合金，真空浸渗CVI增密后的整体碳毡，获得C/Cu-Ti复合材料(添加钛对炭/炭复合材料渗铜的影响，《中国有色金属学报》，Jul.2006：1214～1218)。研究表明加铜钛二元合金可以浸渗CVI增密后的整体碳毡，但浸渗所需时间长，界面反应严重，浸渗不充分，导致复合材料中碳体积分数不均匀，而且CVI增密整体碳毡对设备要求条件高不易控制。

在研究领域，申请人曾采用了真空吸铸浸渗法制备C/Cu复合材料(石墨/铜基复合材料真空液相浸渗过程动力学研究，《西北工业大学学报》，Mar，2004：296～300)，这种方法无界面反应，通过涂层改变润湿性，收到了良好效果，但是，真空吸铸浸渗法只能制备碳体积10～35％的低体积分数的C/Cu复合材料，为得到合适的界面结合性能，必须预先对增强体进行涂层处理，而且不能制备碳体积分数超过50％的高体积分数C/Cu复合材料。

综上所述，对于高体积分数碳的C/Cu复合材料，希望能开发出一种简单可靠的工艺，不需要大的外加压力和复杂的涂层处理等手段，也不希望需要非常复杂的制备设备或非常高的制备温度。此外，也希望制备过程能实现“近终型”，尽量减少复合材料的后续机械加工，节约成本。与本发明有关的低压辅助熔渗制备方法可以达到这一目的。

三、发明内容：

为克服现有技术中存在的不能制备高体积分数C/Cu复合材料，以及采用传统的制备方法时，设备庞大笨重、工艺复杂、材料成本高、导电性能差的不足，本发明提出了一种高含量C/Cu复合材料的低压辅助制备方法。

为实现上述目的，本发明采用了铜基复合材料的低压辅助熔渗制备方法。其具体过程为：