石墨/铜基复合材料研究进展

石墨/铜复合材料因其结合了铜基体优良的导电导热、较强的抗腐蚀性能、延展性能以及力学性能和石墨的润滑特性,而具有非常广阔的应用前景,一直以来都备受瞩目。综述了近年来石墨/铜复合材料在组分、制备工艺、性能应用3方面的研究现状。分析了该复合材料的组分特性;着重介绍了粉末冶金、熔炼铸造法、表面技术等制备方法并进行了分析比较;结合石墨/铜复合材料的性能介绍了其典型的应用领域;展望了今后的研究方向。     

石墨表面镀铜对石墨—铜复合材料强度影响的研究

石墨与铜的界面结合及石墨在基体中的分布方式是影响石墨－铜基复合材料抗弯强度的重要因素。本文用镀铜石墨粉制备石墨－铜复合材料,并测定了材料的抗弯强度,对断口进行扫描分析。结果表明,石墨经镀铜处理后,使得石墨－铜复合材料抗弯曲强度显著提高。     

铜包石墨对酚醛树脂基复合材料摩擦学性能的影响

目的 提高石墨与酚醛树脂的界面结合强度,改善酚醛树脂基复合材料的摩擦学性能。方法 用高温浸渗法制备铜包石墨,并制备铜包石墨-酚醛树脂基复合材料。通过摩擦磨损实验,研究铜包石墨对酚醛树脂基复合材料摩擦学性能的影响,并对比相同成分铜/石墨混合填充酚醛树脂基复合材料的摩擦学性能。通过扫描电子显微镜、能谱仪和光学显微镜对摩擦磨损表面进行分析,研究材料摩擦磨损机理。结果 石墨表面经过金属铜处理后,金属铜由分散的聚集态转变为附着态,制备的铜包石墨颗粒整体分散度高、形状好。铜包石墨-酚醛树脂基复合材料中石墨与基体界面结合紧密,保持了酚醛树脂的连续相结构,摩擦磨损表面相对平整,复合材料平均比磨损率为3.98×10^?6 mm³/(N.m),瞬时摩擦系数波动幅度小,摩擦磨损机理以粘着磨损为主。相同成分制备的铜/石墨混合填充酚醛树脂基复合材料的界面结合度较差,摩擦磨损表面有较多裂痕,复合材料平均比磨损率为7.80×10^?6 mm³/(N.m),瞬时摩擦系数波动幅度大,摩擦磨损机理以磨粒磨损和粘着磨损为主。结论 石墨通过表面金属铜处理,不仅能提高与基体界面结合强度,还能同时有效提高酚醛树脂基复合材料的耐磨性能和摩擦稳定性。     

碳纤维对镀铜石墨-铜基复合材料性能的影响

研究了镀铜石墨-铜基复合材料中镀铜碳纤维对复合材料电阻、硬度和抗弯强度的影响。结果表明：在镀铜石墨-铜基复合材料中加入镀铜碳纤维可以明显地提高其抗弯强度和硬度，但对材料的电阻率作用并不明显。     

电流对碳纳米管增强铜基复合材料载流摩擦学性能的影响

采用粉末冶金方法在相同的工艺条件下制备纯铜和碳纳米管含量为10%（体积分数）的铜基复合材料。在一种销盘式载流摩擦磨损试验机上考察了不同电流条件下2种材料的载流摩擦磨损性能。结果表明：纯铜和铜基复合材料的摩擦系数和磨损率均随电流的增大而增大,但是电流对纯铜材料的影响更加显著;纯铜材料的主导磨损机制是电弧烧蚀磨损,而铜基复合材料的主导磨损机制是塑性流动变形;碳纳米管可以改善铜基复合材料的载流摩擦磨损性能。     

载流条件下铜-石墨复合材料摩擦学性能研究

在载流高速摩擦磨损试验机上进行试验,研究了不同电流和速度对铜-石墨复合材料摩擦系数和磨损率的影响,并对摩擦表面的形貌进行了观察和分析。结果表明:电流、速度是影响铜-石墨复合材料载流摩擦磨损性能的重要因素。在速度一定的条件下,随着电流增大,铜-石墨复合材料的摩擦系数减小,磨损率增大;在电流一定的条件下,材料的摩擦系数随速度的增大先升高后降低,磨损率随速度的增大先升高后降低,然后迅速增大,在速度为40 m/s时,材料的磨损机制出现了明显的变化。     

碳纤维对铜-石墨复合材料性能的影响

根据目前电力机车受电弓滑板应用的背景研究了在铜 石墨复合材料中加入碳纤维后对复合材料滑动电接触性能的影响。详细研究了碳纤维的加入量、排列、分布对复合材料密度、电阻率、冲击性能的影响规律 ,并通过与传统滑板性能比较来验证它是一种既具有优良滑动接触性能又具有优良导电性能和一定强度的新型滑动电接触复合材料。     

石墨表面镀镍对石墨/铜复合材料热物理性能的影响

对天然鳞片石墨进行了表面化学镀镍处理,采用真空热压法制备镀镍石墨/铜复合材料,研究了石墨表面镀镍对石墨/铜复合材料热导率和抗弯强度的影响.结果表明,经过化学镀镍处理的石墨表面形貌完整、镀层均匀,镀层厚度约1.81 μm;镀镍后的石墨与铜界面结合良好,石墨/铜复合材料致密度达到98％以上;当石墨体积分数为40％～70％时...     

石墨表面金属化处理及检测

石墨是一种较为理想的锂离子电池负极材料,但由于其与溶剂的相容性差等缺点,降低了电池的容量和寿命,研究发现,通过对石墨材料进行修饰与改性可有效提高石墨电极性能.介绍了在石墨表面进行金属化处理的方法以及处理后对石墨电化学性能的影响,并概括介绍了所包覆金属的检测方法,结果表明,石墨表面包覆一层金属后,不仅电阻率大大降低,且改善了电极在充放电过程中石墨体积的变化,降低了电极膨胀,电极热稳定性和循环性均得到了提高.     

石墨表面镀铜对铁基粉末复合材料摩擦性能影响的研究

石墨与铜的界面结合及石墨在基体中的分布方式,是影响铁基粉末复合材料摩擦性能的重要因素。用镀铜石墨制备铁基粉末复合材料,并测定了材料的摩擦系数、磨损性能。结果表明石墨经镀铜处理后,使复合材料的摩擦系数有所降低,磨损性能提高20%～30%。     

温度对铜基自润滑材料减摩耐磨特性的影响

采用常规的粉末冶金方法制备了铜基石墨固体自润滑复合材料, 通过基体合金化和改变石墨粒度探讨了复合材料的力学性能和在不同温度条件下的摩擦磨损性能及机理. 实验结果表明: 温度对铜基石墨固体自润滑复合材料的自润滑性能有较大的影响, 在较高温度条件下, 铜基石墨固体自润滑复合材料的耐磨性主要取决于铜合金基体的强度; 选用合适的石墨粒度和多元基体合金化, 可使铜基石墨固体自润滑复合材料在0～500.℃温度条件下保持较好的自润滑特性.     

石墨含量对石墨/TiC/镍基合金复合涂层微观组织与摩擦学性能的影响

为了降低TiC/镍基合金复合涂层的摩擦因数并增强其耐磨性能,运用等离子喷涂技术在45#钢表面制备石墨/TiC/镍基合金（GTN）复合涂层。研究石墨含量对GTN涂层组织和摩擦学性能的影响。结果表明,石墨的加入有效地降低了涂层的摩擦因数,提高了其耐磨性。6.56GTN涂层和12.71GTN涂层分别在低载荷与高载荷摩擦条件下呈现出优异的减摩耐磨性能。在低载荷条件下,GTN涂层的磨损机理主要表现为多次塑变磨损,伴有轻微的磨粒磨损,且随着石墨含量的增加逐渐转变为多次塑变、层脱和微切削磨损;在载荷增加后,脆性断裂、微观切削和粘着为其主要的磨损机理,且随着石墨含量的增加逐渐转变为微观切削和脆性剥落。     

Improvement of thermal and mechanical properties of graphite/copper composites through interfacial modification

Unidirectionally reinforced graphite/copper composites have been fabricated using a pressure infiltration casting procedure. T300 and T650 graphite fibers have been used to reinforce copper and copperchromium alloys. The effects of the chromium level in the copper matrix on the tensile strength, stiffness, and thermal expansion behavior of the composites have been evaluated through tensile and three-point bend testing, and thermal cycling. At the 0.5 wt% alloying level, chromium increases the stiffness and optimizes the thermal expansion behavior of graphite/copper composites. The longitudinal tensile strengths of these composites are above 1606 MPa, whereas the transverse tensile strengths are lower than 40 MPa due to incomplete infiltration during processing. Scanning electron microscopy analyses reveal that the unalloyed copper matrix composites experienced extensive fiber/matrix debonding under tensile loading. The addition of chromium to the copper increases the level of matrix bonding to the graphite fibers, as evidenced by observations of fractured tensile specimens. Auger electron spectroscopy analyses indicate that a chromium carbide phase present at the interface is responsible for the improved bonding.     

石墨表面钛金属化微观组织分析

利用XRD、SEM和EDX对石墨表面钛金属化微观组织进行了分析研究。结果表明，微观组织依次为内层（石墨）、过渡层（620μm）、致密层（40μm）及外层（α-Ti），XRD及EDX分析证实了致密层的物相为碳化钛，SEM分析证实了致密层与过渡层及w层结合牢固。但还发现，在Ti层与致密层界面处发现微裂纹，可能是因热膨胀系数差异大而产生的热应力所致，可通过缓冷方式来减小热应力。在致密层与过渡层界面处却未发现，主要因为Ti与石墨发生界面反应，形成碳化钛。     

镀镍石墨粉对铜基石墨复合材料力学性能的影响

采用粉末冶金工艺制备铜基石墨复合材料,考察烧结工艺、石墨粉颗粒表面镀镍及强化相对铜基石墨复合材料的力学性能和组织结构的影响,并对材料的组分、显微组织形态结构及断口形貌等进行系统的观察和分析,测试材料的硬度、冲击韧性和在室温、300℃、500℃各温度的压溃强度。结果表明:采用镀镍石墨粉改善了石墨和铜合金基体界面结合状态,界面结合更加牢固紧密,明显提高铜基石墨复合材料的力学性能,室温压溃强度和冲击韧性提高了30%~50%,高温强度提高了35%~60%,而对复合材料的硬度影响不大,复压复烧工艺更有利于发挥镀镍石墨粉的优越性。     

Effect of Fe-impurity on tribological properties of Al-15Mg2Si composite

The effect of Fe-impurity (0.2%–2%, mass fraction) on the microstructure, dry sliding wear, and friction properties of Al-15Mg₂Si composite was investigated using a pin-on-disk tester under the applied pressures of 0.25, 0.5 and 1 MPa at a constant sliding speed of 0.13 m/s. According to the results, Fe modified the primary Mg₂Si particles from irregular dendritic form to smaller particles with polyhedral shapes, refined the pseudo-eutectic structure, and led to the formation of hard β-Al₅FeSi platelets in the matrix. In spite of hardness improvement by these microstructural changes, the resistance of the composite against dry sliding wear was impaired. SEM examination of the worn surfaces, wear debris, and subsurface regions confirmed the negative effect of β-phase on the tribological properties. It was found that β-particles were fractured easily, thereby decreasing the potential of the substrate to resist against sliding stresses and giving rise to the instability and easy detachment of tribolayer as large delaminated debris. The friction results also revealed that Fe slightly decreased the average friction coefficient, but increased the fluctuation in friction.     

石墨/TiC改性镍基合金复合涂层的摩擦学性能

为降低纯镍基合金涂层在高接触应力下的摩擦因数并进一步提高其耐磨性能,运用等离子喷涂技术在45#钢表面制备石墨/TiC协同改性镍基合金复合涂层。结果表明：复合涂层的摩擦因数较纯镍基合金涂层降低47.45%,磨损质量降低59.1%。纯镍基合金涂层与GCr15钢对摩时,表面产生明显的滑移和粘着变形,从而使纯镍基合金涂层表现出多次塑变磨损和粘着磨损。在复合涂层的磨损表面形成较软的、富含石墨和铁氧化物的转移层,使得其摩擦因数显著降低,质量磨损大为减少。复合涂层的磨损机理主要为转移层的疲劳剥落。     

润滑状态对C/C复合材料摩擦磨损特性的影响

在M-2000型摩擦磨损实验机上,对3种C/C复合材料与40Cr钢配副分别在干态、水润滑、油润滑3种条件下的摩擦磨损行为进行了研究.结果表明:在3种润滑条件下,干态摩擦试样的摩擦系数最大,体积磨损最小;基体炭为树脂浸渍炭的试样在3种试样摩擦系数最高,约为0.141～0.205;水润滑时试样的摩擦系数最小,为0.05～0.10,但体积磨损最大,最高可达7.75 mm3油润滑时试样的摩擦系数和体积磨损均介于干态和水润滑之间;干摩擦时,试样的摩擦系数随着载荷增加而缓慢降低,水润滑和油润滑的摩擦系数则随着载荷的增加而先增加后减少;干态摩擦时材料表面形成了完整的摩擦膜,水润滑和油润滑条件下摩擦膜很薄且不完整;所有润滑条件下试样均以磨粒磨损或犁削磨损为主.     

SiC颗粒表面修饰对铜基复合材料性能的影响

采用粉末冶金结合化学沉积工艺制备SiC颗粒增强铜基复合材料。研究在SiC颗粒表面修饰不同金属（铜、镍）对复合材料界面结合状况的作用,并比较两种金属涂层各自对材料性能的影响。结果表明：SiC颗粒经表面修饰铜、镍后,复合材料界面结合紧密,界面结合强度提高,在基体和增强颗粒之间可以有效传递载荷,使得复合材料的相对密度、宏观硬度和力学性能获得提高。由于基体铜和镍镀层之间可以相互扩散,形成连续固溶层,从而使复合材料力学性能提升更为显著,但是由于在修饰镍过程中引入少量镍磷化合物夹杂,所以材料的导电、导热性能没有获得明显改善。     

Wear properties and effect of molds on microstructure of graphite reinforced copper alloy composites made by centrifugal casting

Graphite reinforced copper alloy composites were cast using gravity and centrifugal casting techniques to identify the effect of graphite particles on microstructural formation and the effect of the casting techniques on the distribution of the particles. Melt containing either 5 or 120 μm size graphite particles were gravity cast in both steel and graphite molds. Melts containing 5 μm graphite particles were also cast in a horizontal centrifugal casting machine. Samples cast in the graphite molds exhibited much greater pore size than that found in the samples cast in the steel molds. Graphite particles moved to the inner periphery when influenced by centrifugal force, resulting in the formation of graphite-rich and graphite-free zones. The volume fraction of graphite particles near the inner periphery was 13%, which is higher than the initial volume fraction of graphite particles (7 vol.%) added into the melt. The results of wear testing showed that the friction coefficient of the pin from the graphite-rich zone is 0.49 and 0.69 for the pin from the graphite-free zone. The size of the machining chips from the graphite-rich zone was much smaller than those from the graphite-free zone. These results suggest that this composite may be an attractive substitute for copper alloys containing lead.