一种铜/石墨复合材料及其制备方法与应用

本申请涉及复合材料，具体涉及一种高强耐磨铜/石墨复合材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、铜/石墨复合材料中既包含了具有良好强度、硬度、导电导热性以及耐蚀性的铜，又包含了润滑性好、熔点高、抗熔焊性好以及耐电弧烧蚀的石墨，从而使得铜/石墨复合材料在摩擦材料、含油轴承、电接触材料、导电材料和机械零件材料中发挥着重大作用，被广泛应用于航空航天、轨道交通和电子工业等领域。

2、但是，由于碳与铜的密度差很大，铜/石墨的润湿性很差，界面结合性也很差，且石墨易团聚等，使得复合材料的强度、耐磨性、热物理性能等受到很大的影响，因此，提高铜/石墨复合材料的综合性能一直以来都是该领域科研人员的重要目标。

3、目前的研究主要通过不断开发和优化制备工艺，以期解决石墨在铜基体中的均匀分散性问题。常用的方法有：对铜基体进行合金改性，如采用一定含量的氧化铜/氧化亚铜来充当铜源，与材料中的石墨发生反应以增强界面；或对石墨组元表面进行改善处理，如采用镀镍石墨粉等。但这些方法存在生产工艺复杂、成本高等问题，很难产业化应用。

技术实现思路

1、鉴于此，为了解决现有技术中石墨在铜基体中的均匀分散性不好、工艺复杂、成本高的不足，本申请提出了一种铜/石墨复合材料的制备方法，无需对原料进行改性，而是通过反复压制和烧结，再结合热挤压、轧制和搅拌摩擦加工的制备工艺，实现了石墨在铜基体中弥散均匀分布，该方法工艺简单、对环境友好、成本低，产业化应用潜力大。

2、为了解决现有技术中铜/石墨复合材料强度低、导电性不好的缺陷，本申请还提供一种铜/石墨复合材料，该复合材料具有强度高、导电性好，组织性能优异的特点。

3、本申请提供了如下的技术方案：

4、第一方面，本申请提供了一种铜/石墨复合材料的制备方法，包括以下步骤：

5、将铜粉和石墨混合后依次进行压制、烧结，然后对烧结后的坯件进行挤压、轧制和搅拌摩擦加工。

6、在一些较为具体的实施方式中，所述搅拌摩擦加工为多道次搅拌摩擦加工；

7、相邻两个搅拌摩擦加工改性区有重叠区间；

8、优选地，所述重叠区间的宽度为单个搅拌摩擦加工改性区宽度的50％以上；

9、更优选地，所述搅拌摩擦加工时搅拌头转速为1200rpm-2000rpm，搅拌头的行进速度为30mm/min-100mm/min；

10、进一步优选地，所述搅拌摩擦加工时的搅拌头转速为1400rpm-1800rpm，搅拌头的行进速度为50mm/min-80mm/min。

11、在一些较为具体的实施方式中，挤压过程中的挤压比为(21-27):1；

12、优选地，所述挤压温度为880℃-930℃；

13、更优选地，挤压速度为5mm/s-10mm/s。

14、在一些较为具体的实施方式中，轧制的变形量为70％以上，优选70％-80％；

15、优选地，所述轧制为多道次轧制，每道次轧制下压量为0.3mm-0.5mm；

16、更优选地，轧制后进行退火；

17、进一步优选地，退火温度600℃-700℃，退火时间30min-1.5h。

18、在一些较为具体的实施方式中，所述铜粉的颗粒直径为20μm-40μm；和/或，所述石墨的颗粒直径为100μm-300μm；

19、优选地，所述石墨为鳞片状石墨；

20、所述铜为电解铜粉。

21、所述石墨的添加量为2wt.％-10wt.％。

22、在一些较为具体的实施方式中，铜和石墨混合过程中加入球磨介质并球磨；

23、优选地，球磨机的转速为70rpm/min-90rpm/min，球料比为(0.5-1.5):1；

24、更优选地，所述球磨介质包括两种以上不同直径的磨球；

25、进一步优选地，混合过程中加入无水乙醇进行湿混，球磨混合后再对混合粉进行烘干。

26、在一些较为具体的实施方式中，所述压制、烧结过程包括：

27、先将所述混合粉初压成坯件；所述初压的压强为150mpa-550mpa；

28、再将初压后的坯件进行初烧；所述初烧的温度为920℃-940℃，时间为3h-6h；

29、将初烧后的坯件进行复压；所述复压的压强高于初压的压强；

30、将复压后的坯件进行复烧；所述复烧的温度为940℃-960℃，时间为1.5h-2.5h；

31、优选地，所述压制、烧结过程满足以下a-e中任意一项或多项：

32、a:所述初压为冷等静压；所述初压的压强为250mpa-450mpa；

33、b:所述初烧和复烧过程中通入惰性气体作为保护气体；

34、c:所述复压的压强为200mpa-600mpa；

35、d:所述复烧的温度为945℃-955℃。

36、在一些较为具体的实施方式中，所述制备方法还包括表面光滑处理；

37、优选地，在轧制和/或搅拌摩擦加工后进行表面光滑处理；

38、更优选地，进行光滑处理后进行酸洗。

39、第二方面，本申请还提供了一种铜/石墨复合材料，所述铜/石墨复合材料由所述的制备方法制备而成。

40、第二方面，本申请还提供了一种所述的铜/石墨复合材料作为耐磨材料和/或导电材料的应用。

41、本申请技术方案，具有如下优点：

42、1.本申请通过将复烧后的坯件依次进行挤压、轧制与搅拌摩擦加工结合的工艺方法，使石墨碎化并均匀弥散分布于铜基体中，提高了复合材料强度和耐磨性。一方面，石墨均匀弥散分布，能有效分散和传递应力，提高材料的承载能力和导电性，同时复合材料内部的石墨弥散均匀分布，改善了石墨团聚的问题，提高了复合材料的致密性与性能稳定性。另一方面，通过热挤压、轧制和搅拌摩擦加工的工艺过程，使铜基体的晶粒得到明显细化，进而提高材料的强度。本申请采用两种特定直径的球磨介质对铜和石墨粉进行混粉，而且采用特定的球料比，使铜粉和石墨混合更均匀，改善了石墨易团聚等问题，提高了复合材料的致密性与性能稳定性。

43、2.本申请通过两次压制和烧结交替进行的工艺过程，以及初压采用较低的压强，复压的压强高于初压的压强；初烧采用较低的温度，复烧的温度高于初烧的温度；从而提高复合材料的致密度并改善铜/石墨之间的界面连续性，进而提高复合材料的性能。

技术特征：

1.一种铜/石墨复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述铜/石墨复合材料的制备方法，其特征在于，所述搅拌摩擦加工为多道次搅拌摩擦加工；相邻两个搅拌摩擦加工改性区有重叠区间；

3.根据权利要求1或2所述铜/石墨复合材料的制备方法，其特征在于，挤压过程中的挤压比为(21-27):1；

4.根据权利要求1或2所述铜/石墨复合材料的制备方法，其特征在于，

5.根据权利要求1-4任一所述铜/石墨复合材料的制备方法，其特征在于，所述铜粉的直径为20μm-40μm；和/或，所述石墨的颗粒直径为100μm-300μm；

6.根据权利要求1-5任一所述铜/石墨复合材料的制备方法，其特征在于，铜和石墨混合过程中加入球磨介质并球磨；

7.根据权利要求1-6任一所述铜/石墨复合材料的制备方法，其特征在于，所述压制、烧结过程包括：

8.一种铜/石墨复合材料，其特征在于，所述铜/石墨复合材料由权利要求1-7任一所述的制备方法制备而成。

9.权利要求8所述的铜/石墨复合材料作为耐磨材料和/或导电材料的应用。

技术总结本申请涉及复合材料技术领域，具体涉及一种铜/石墨复合材料及其制备方法与应用，通过将铜和石墨混合后依次进行压制、烧结，然后对烧结后的坯件依次进行挤压、轧制和搅拌摩擦加工，得到铜/石墨复合材料。通过上述方法使石墨碎化并弥散分布于铜基体中，同时显著细化铜基体晶粒。制得的铜/石墨复合材料组织性能优异，具有强度高、导电性好等优点。本申请提供的制备工艺简单，对环境友好、成本低，产业化应用的潜力大。技术研发人员：刘莉,董春林,徐望辉,刘瑞伟,赵伟彬受保护的技术使用者：广州航海学院技术研发日：技术公布日：2024/6/11