[发明专利]一种短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属基复合材料领域，具体涉及一种短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料及其制备方法。

背景技术

铜基复合材料是指通过向铜和铜合金基体中引入增强体，能够在保持基体材料韧性的同时提高其室温和高温屈服及抗拉强度，提高疲劳强度、弹性模量、耐磨性等性能，降低基体材料的热膨胀系数，很大程度上弥补铜和铜合金性能的不足。作为增强体材料，碳纤维有多种优异的性能特点，如：低比重、高强度和高模量；耐摩擦、耐腐烛和耐疲劳；振动衰减性高、电与热传导性高、热膨胀系数低、X光穿透性高，且为非磁性材料，并有着很强的电磁遮蔽性等等，尤其是碳纤维在具备很高强度的同时，还能呈现出良好的刚性；并且在高性能纤维行列中，有着最高的比强度(强度/密度)和比模量(模量/密度)，其作为增强材料广泛地应用于树脂和金属基复合材料中。碳纤维增强铜基复合材料综合了两种材料的优点，可用作电子封装材料、电接触材料、热交换材料等。由于长纤维的价格、其复合材料性能的各向异性以及制备工艺复杂等缺点，使得短纤维增强复合材料显出优势。此外，石墨烯在力学、电学和热学等方面都具有奇特而优异的性能，如本征强度比钢高100倍，比表面积大、载流子迁移率高和热导率优异。同时，石墨烯作为一类碳材料，还具有良好的自润滑性能。因此，添加石墨烯既能够提高铜基体的强度、硬度和热膨胀稳定性，又能够同时获得优良的导电和耐磨性能。基于两种增强体显著的性能，人们已利用各种方法制备出一系列短碳纤维/铜基复合材料和石墨烯/铜基复合材料。然而迄今为止，短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料未有任何报道。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明旨在通过选用耐磨性能优异的短碳纤维和石墨烯作为增强体，解决短碳纤维和石墨烯在基体中分散不均的问题，获得了铜基复合材料良好的耐磨性能，从而提供一种短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料，本发明的另一目的在于提供该耐磨材料的制备方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料，含有以下重量百分比的组分：短碳纤维0.5-3.0wt％，石墨烯1.0-4.0wt％，余量为Cu。

本发明还提供了一种上述短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料的制备方法，包括复合材料混合粉体的制备及复合材料的烧结两个步骤，包括以下步骤：

(1)复合材料混合粉体的制备：量取氧化石墨烯水溶液，在电动搅拌的情况下，向氧化石墨烯水溶液中加入短碳纤维，搅拌得到短碳纤维和氧化石墨烯水溶液混合浆料，加入质量分数为80％的水合肼溶液，再加入Cu粉，180–240r/min转速下搅拌2-4h成泥浆状，获得复合材料混合粉体泥浆，随后使之完全冷冻成冰，然后将冻实的复合材料混合粉体泥浆使用真空度为1–10Pa的冷冻干燥箱去除水分和水合肼，即得到复合材料混合粉体；

(2)复合材料的烧结：将步骤(1)得到的复合材料混合粉体装入钢制模具中，使用粉末压力机将复合材料混合粉体冷压成型，然后将冷压成型的复合材料混合粉体置于真空热压烧结炉中进行热压烧结，烧结完成并冷至室温后，脱模即得短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料。

作为优选，所述步骤(1)中氧化石墨烯水溶液的浓度为15–20mg/mL。

作为优选，所述步骤(1)中短碳纤维的长度为1–2mm。

作为优选，所述步骤(1)中水合肼溶液的加入量按水合肼溶液与氧化石墨烯水溶液的体积比为1：500计算。

作为优选，所述步骤(1)中短碳纤维和氧化石墨烯水溶液混合浆料的搅拌时间为2-3h，搅拌速率为250–360r/min。

作为优选，所述步骤(1)中Cu粉的粒径为5–20μm。

作为优选，所述步骤(1)中复合材料混合粉体泥浆的冷冻温度为-60–-40℃，冷冻时间为4-8h。

作为优选，所述步骤(2)中复合材料混合粉体冷压成型的压力为450–550MPa。

作为优选，所述步骤(2)中冷压成型的复合材料混合粉体的热压烧结条件如下：真空度在0.1Pa以下，施加压力为45–65MPa，加热程序控制为：先以70-90℃/h升至400℃，再以150-180℃/h的速率升至850–950℃，保温2-3h后，开始降温，至炉冷至100℃取出空气冷却至室温。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：