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浅析石墨模具复合材料的性能及应用

时间:2020年01月22日

石墨模具复合材料的性能及应用铜-石墨复合材料即具有铜基体的高强度,导热快,导电性好,而电弧烧灼等优异性能,又具有石墨的润滑性能好尤其是高温润滑性好等特点,其综合性能优良,是制备现代自润滑摩擦零部件,电接触到点零部件的理想材料(石墨制品)。需求领域非常广泛,遍布于机械传动,交通,军事,航空航天等需要进行减磨,导电的领域。铜-石墨复合材料有代表行的特色鲜明的应用,主要是在自润滑摩擦于电接触导电功能同事需要的电刷,受电弓滑板等方面。

复合材料是指由两种或两种以上具有不同物理、化学性质的材料,以微观、细观或宏观等不同的结构尺度与层次,经过复杂的空间组合而形成的一个材料系统。复合材料的物理、力学性能与界面性质密切相关。C/Cu复合材料尤其如此。自C/Cu复合材料问世以来,Cu基体与碳增强体的界面就成为关注的焦点。希望Cu与碳增强体有良好的相容性。高温下,液态铜与碳增强体既不润湿也不发生反应。即使在1285℃下,铜与碳也不润湿。这就使制备的C/Cu复合材料的界面只能是机械互锁,结合强度低。当承受载荷时,往往造成碳增强体的拔出、剥离或脱落。为了制备具有优良的物理、力学性能的C/Cu复合材料,关键是改善铜基体与碳增强体的润湿性。

金属基复合材料是包括颗粒、晶须、纤维增强金属基体的复合材料。金属基复合材料兼具金属与非金属的综合性能,材料的强韧性、耐磨性、耐热性、导电导热性及耐候性能适应广泛的工程要求,且比强度、比模量及耐热性超过基体金属,对航空航天等尖端领域的发展具有重要作用。在该类材料中,所用基体金属包括轻合金(铝、镁)、高温合金与金属间化合物,以及钢、铜、锌、铅等;增强纤维包括碳(石墨)、碳化硅、硼、氧化铝、不锈钢及钨等纤维;增强颗粒包括碳化硅、氧化铝、碳化硼等;增强晶须包括碳化硅、氧化硅、硼酸铝等。以上各种基体和增强体可组成大量金属基复合材料,但目前多数处于研发阶段,只有少数得到应用。如硼、石墨纤维增强铝(镁)用于卫星、航天飞机结构、空间望远镜部件,碳化硅纤维与颗粒增强钛合金用于大推重比飞机压气机部件,颗粒增强铝基复合材料(PRA)广泛用于航空、航天及汽车、电子领域。在金属基复合材料中颗粒增强铝基复合材料最具发展潜力。该材料具有比强度和比模量高,耐磨性、阻尼性及导热性好,热膨胀系数小等优异性能。其主要应用领域一是航空、航天和军事领域,二是汽车、电子信息和高速机械等民用领域。发展目标是代替铝合金、钦合金、钢等用于制造高性能的构件,减重并提高性能和仪器精度。

铜基复合材料按增强体的不同可分为:硼化物(TiB2,ZrB2,CrB2)增强型、氧化物(A12O3、Y2O3、ZrO2、ThO2、SiO2)增强型、碳化物(ZrC、WC、SiC、NbC、TaC、TiC)增强型、氮化物(AlN)增强型以及硅化物增强型等。目前常见的增强体还有:Ni2Sn、Fe2Ti、NixTiy、Fe2P、Co2P、Mg3P2等。增强体的形态主要包括纤维、晶须、颗粒等[4]。引入纤维、晶须、陶瓷颗粒等高强度的强化相增强基体显示出良好的发展前景,其方法是向铜基体内植入稳定的高强度第二相,通过冷变形等加工处理,使第二相以弥散的颗粒状或纤维状分布与基体中,达到机械能和电导性能的最佳性能佳匹配。

铜基复合材料依据增强相的形态可分为:颗粒(B、C、SiC、B4C、Si3N4、WC、Mo2C、ZrO2、ZrB2、A1203、碳纳米管和石墨)增强铜基复合材料、纤维(C纤维、Ti纤维、B纤维)增强铜基复合材料、晶须(SiC晶须)增强铜基复合材料等。

石墨/铜基复合材料不仅具有铜的良好的强度、硬度,优良的导电、导热、耐蚀性,还具有石墨良好的自润滑性、高熔点、抗熔焊性和耐电弧烧蚀性,现已应用于电接触材料、摩擦材料、导电材料、含油轴承和机械零件材料(如:电机用电刷,小型精密自润滑轴承,接触导线、受电弓、极靴和其它集电器电接触部件[5]等),特别是作为受电弓滑板材料和电刷材料,有着广泛的应用。提高石墨/铜复合材料的综合性能一直以来都是科研人员研究的主要内容。目前,对于石墨/铜复合材料的研究主要集中在界面问题、添加物及纤维增强等方面。

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