[发明专利]一种高性能铜基固体自润滑复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种高性能铜基固体自润滑复合材料及其制备方法，该复合材料由以下重量百分比的原料制成：5％‑30％的固体润滑剂，1％‑5％的金属氧化物，余量为铜基体；其中，所述铜基体为铜粉或铜合金粉，所述固体润滑剂为羰基镍包石墨复合粉；所述金属氧化物为纳米态氧化铝或纳米态氧化钇中的至少一种。本发明解决了当前铜基固体自润滑复合材料力学强度差、摩擦系数高、磨损率高的问题，制备得到的复合材料兼具优良的力学性能和摩擦学性能，可用于宽温域、高速、耐腐蚀的工况下，且通过复合材料制得的密封件具有长寿命、长期服役“零泄漏”。

技术领域

本发明属于金属基固体自润滑复合材料的技术领域，具体涉及一种高性能铜基固体自润滑复合材料及其制备方法。

背景技术

航空航天等高端装备服役环境中，密封材料所使用的工况往往极端苛刻，如高低温、高速、腐蚀等。如果密封材料失效，不仅会导致泵体泄漏而污染其它组件，更可能会导致整机功能失效，造成灾难性后果。自上世纪中期以来，因密封件失效引发的事故不计其数，损失惨重。因此亟需研发集高力学性、长使用寿命、耐高低温、耐腐蚀等高性能于一体的航空航天用密封材料。本研究即从此目标出发，研制一种密封用金属基固体自润滑复合材料以满足苛刻环境下的使用需求。

固体自润滑复合材料兴起于上世纪，根据基体材料的不同可分为聚合物基固体自润滑复合材料、陶瓷基固体自润滑复合材料、金属基固体自润滑复合材料以及碳/石墨复合材料。其中，在众多金属基固体自润滑复合材料中，相比于金、银、镍、钛等金属，铜更加廉价，并且铜比钢铁具有更好的润滑、导热、导电、耐腐蚀等性能，石墨由于晶体结构中同层间以共价键相连，不同层间以范德华力结合，层间易于滑动，使其成为一种性能优良的固体润滑剂，将铜作为基体、石墨作为固体润滑剂从而制备得的铜基固体自润滑复合材料在航空航天领域中应用广泛。

目前，关于铜作为基体材料、石墨作为固体润滑剂制备得到复合材料的报道虽然较多，但多限于采用将铜、石墨或其它合金元素简单混合后进行复烧复压、烧结后锻造或热浸渍等工艺制作，不仅制造成本高、工艺周期长而且所得的复合材料往往因成分偏析、材料质软等原因造成摩擦系数高、磨损率高，或者摩擦学性能与力学强度不能兼得，亦或者使用铅等有毒元素污染环境。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高性能铜基固体自润滑复合材料及其制备方法，解决了当前铜基固体自润滑复合材料力学强度差、摩擦系数高、磨损率高的问题，制备得到的复合材料兼具优良的力学性能和摩擦学性能，可用于宽温域、高速、耐腐蚀的工况下，且通过复合材料制得的密封件具有长寿命、长期服役“零泄漏”；本发明的制备方法具有原料组分易于调控、操作简单、周期短、成本低，并且能够满足日益严苛的环保要求。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种高性能铜基固体自润滑复合材料，由以下重量百分比的原料制成：5％-30％的固体润滑剂，1％-5％的金属氧化物，余量为铜基体；其中，所述铜基体为铜粉或铜合金粉，所述固体润滑剂为羰基镍包石墨复合粉；所述金属氧化物为纳米态氧化铝或纳米态氧化钇中的至少一种。

在一些实施方式中，所述高性能铜基固体自润滑复合材料，由以下重量百分比的原料组成：10％-25％的固体润滑剂，1.5％-3.5％的金属氧化物，余量为铜基体。

在本发明中，选用铜作为基体材料，相比于金、银、镍、钛等金属，铜更加廉价，并且铜比钢铁具有更好的润滑、导热、导电、耐腐蚀等性能；选用羰基镍包石墨复合粉作为固体润滑剂，石墨能够以单质的形式溶于镍的晶格中，同时镍与铜基体可以形成无限互溶体，使石墨在铜基体中均匀分散，从而大幅度减小界面孔隙，增加固体润滑剂与铜基体之间结合强度的同时提高复合材料的密度；由于石墨本身质软，加入含量较高不仅会降低复合材料的力学性能而且会使得磨损率增加，当固体润滑剂在原料中重量占比为5％-30％(比如6％、10％、15％、20％、25％、28％)时，该复合材料具有优异的力学性能和摩擦学性能；优选为10％-25％。