本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料的制備方法，具體地說是一種通過壓力浸滲鋁合金制備鋁/碳基復(fù)合材料的方法。

背景技術(shù)：

隨著我國高速鐵路和電氣化鐵路的飛速發(fā)展，降低鐵路接觸網(wǎng)導(dǎo)線和滑板的磨損，提高自潤(rùn)滑性能和使用壽命成為了世界鐵路發(fā)展重要的研究項(xiàng)目。

電力機(jī)車的牽引動(dòng)力通過受電弓滑板取自于與之相連的供電系統(tǒng)。受電弓滑板在供電系統(tǒng)中發(fā)揮著極其重要的作用。

受電弓滑板主要有三大類：粉末冶金滑板、純碳滑板和浸金屬碳滑板。粉末冶金滑板具有機(jī)械強(qiáng)度高和電阻率低的特點(diǎn)，但由于其對(duì)接觸網(wǎng)導(dǎo)線磨損嚴(yán)重在一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家逐漸被碳滑板取代。純碳滑板自潤(rùn)滑性能優(yōu)越，但強(qiáng)度較低，穩(wěn)定性較差。浸金屬碳基復(fù)合材料成為結(jié)合粉末冶金滑板和純碳滑板二者優(yōu)越性能的理想材料?，F(xiàn)在較多出現(xiàn)的銅/碳基復(fù)合材料正在大量應(yīng)用于現(xiàn)代高速鐵路中，但由于銅與碳浸潤(rùn)性較差，銅/碳復(fù)合材料中存在較多缺陷影響了滑板整體的致密性、機(jī)械強(qiáng)度和運(yùn)行穩(wěn)定性，并且其密度仍然較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種通過壓力浸滲鋁合金制備鋁/碳基復(fù)合材料的方法。本發(fā)明鋁/碳基復(fù)合材料具有優(yōu)良的耐磨和自潤(rùn)滑性、低電阻率、低密度、結(jié)構(gòu)均勻致密、較高的機(jī)械強(qiáng)度和沖擊韌性等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明通過壓力浸滲鋁合金制備鋁/碳基復(fù)合材料的方法，包括如下步驟：

步驟1：將平均粒徑為45-180μm的石油焦、瀝青焦、石墨和炭黑混合均勻，隨后在混捏機(jī)中預(yù)熱至100-140℃，將高溫瀝青加入混捏機(jī)混捏0.5-2h，高溫瀝青加入量占混合物料總重的10-40wt％(混合物料是指石油焦、瀝青焦、石墨和炭黑以及高溫瀝青的總和)，混捏后冷卻，再粉碎至250μm以下制得粉料；

步驟1中，石油焦、瀝青焦、石墨和炭黑的配比按質(zhì)量百分比構(gòu)成為：

石油焦10-50wt％，瀝青焦10-52wt％，石墨5-35wt％，炭黑粉1-5wt％。

步驟2：將步驟1所得粉料先在150-200mpa壓力下預(yù)壓成型，再在140-170℃、150-200mpa壓力下溫壓成型并保持1-2h，獲得碳預(yù)制素坯；

步驟3：將碳預(yù)制素坯置入碳化爐中，在氮?dú)鈿夥障?，?-10℃/h升溫至1100-1350℃，保溫24-50h，隨后冷卻至室溫制得碳基體；

步驟4：將碳基體與鋁合金裝入石墨模具中，置入壓力熔滲爐中以20-40℃/min升溫至700-800℃，并在1-10min內(nèi)快速加壓至2-15mpa的壓力浸滲5-60min；自然冷卻至室溫后出爐，脫模得到鋁/碳基復(fù)合材料。

所述高溫瀝青為粘結(jié)劑，其軟化點(diǎn)為100-120℃，殘?zhí)悸蕿?0-60％wt％。調(diào)控高溫瀝青的加入量實(shí)現(xiàn)碳基體密度的可控，從而獲得不同鋁含量的鋁/碳復(fù)合材料。

所述炭黑為n234炭黑。

所述鋁合金為牌號(hào)6系列g(shù)高強(qiáng)導(dǎo)電鋁合金，加入量為碳基體質(zhì)量的10-40％。

由于鋁和碳具有相對(duì)較好的浸潤(rùn)性，并且在浸滲過程中界面會(huì)形成碳化物提高鋁與碳的浸潤(rùn)性，形成牢固致密的界面。本發(fā)明利用鋁取代銅浸滲碳基體，從而獲得具有優(yōu)良耐磨和自潤(rùn)滑性、低電阻率、低密度、結(jié)構(gòu)均勻致密和較高的機(jī)械強(qiáng)度和沖擊韌性等特點(diǎn)的鋁/碳基復(fù)合材料。本發(fā)明可通過調(diào)控瀝青的加入量，實(shí)現(xiàn)對(duì)碳基體密度和孔隙率的調(diào)控，從而獲得不同鋁含量的鋁/碳基復(fù)合材料。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

1、本發(fā)明方法使用原料均為市售原料，來源廣泛，成本低。設(shè)備工藝簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)。

2、本發(fā)明制備過程中，長(zhǎng)時(shí)間的混捏過程使填料顆粒表面集聚的瀝青滲入填料顆粒的空隙，提高瀝青的均勻程度，材料獲得均一的優(yōu)異性能。

3、根據(jù)實(shí)際需求，本發(fā)明方法可調(diào)控瀝青含量，最終獲得不同鋁含量的鋁/碳基復(fù)合材料。

4、本發(fā)明方法采用的浸滲金屬與碳的潤(rùn)濕性較好，并能夠在浸滲過程中形成化合物提高潤(rùn)濕性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1所得復(fù)合材料的微觀組織形貌×100。浸滲鋁合金充分填充碳基體的間隙，鋁合金與碳基體界面結(jié)合處致密無孔洞，鋁/碳基復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)致密，密封性好。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例1所得復(fù)合材料的斷口元素分布圖。鋁合金較均勻分散在碳基體中，實(shí)現(xiàn)鋁合金對(duì)碳基體的補(bǔ)強(qiáng)作用。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例1所得復(fù)合材料的斷口形貌。鋁/碳基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)致密，界面結(jié)合良好；碳基體因界面結(jié)合強(qiáng)度高，碳基體發(fā)生脆性斷裂。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例4所得復(fù)合材料的微觀組織形貌×100。浸滲鋁合金呈現(xiàn)網(wǎng)格狀充分填充碳基體的間隙，鋁合金與碳基體界面結(jié)合處致密無孔洞，補(bǔ)強(qiáng)效果顯著；鋁/碳基復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)致密，密封性好。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例4所得復(fù)合材料的斷口元素分布圖。鋁合金鋁合金較均勻分散在碳基體中，實(shí)現(xiàn)鋁合金對(duì)碳基體的補(bǔ)強(qiáng)作用。

圖6本發(fā)明實(shí)施例4所得復(fù)合材料的斷口形貌。鋁/碳基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)致密，界面結(jié)合良好；碳基體因界面結(jié)合強(qiáng)度高，碳基體發(fā)生脆性斷裂。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：

本實(shí)施例中通過壓力浸滲鋁合金制備鋁/碳基復(fù)合材料的方法如下：

步驟1：將平均粒徑為100μm的石油焦、瀝青焦、石墨和炭黑混合均勻，隨后在混捏機(jī)中預(yù)熱至140℃，將高溫瀝青加入混捏機(jī)混捏2h，高溫瀝青加入量占混合物料總重的20wt％，混捏后冷卻，再粉碎至250μm以下制得粉料；

步驟1中，石油焦、瀝青焦、石墨和炭黑的配比按質(zhì)量百分比構(gòu)成為：

石油焦45wt％，瀝青焦48wt％，石墨5wt％，炭黑粉2wt％。

步驟2：將步驟1所得粉料先在180mpa壓力下預(yù)壓成型，再在150℃、180mpa壓力下溫壓成型并保持1h，獲得碳預(yù)制素坯；

步驟3：將碳預(yù)制素坯置入碳化爐中，在氮?dú)鈿夥障?，?℃/h升溫至1150℃，保溫24h，隨后冷卻至室溫制得碳基體；

步驟4：將碳基體與鋁合金裝入石墨模具中，置入壓力熔滲爐中以25℃/min升溫至750℃，并在5min內(nèi)快速加壓至5mpa的壓力浸滲30min；自然冷卻至室溫后出爐，脫模得到鋁/碳基復(fù)合材料。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例中通過壓力浸滲鋁合金制備鋁/碳基復(fù)合材料的方法如下：

步驟1：將平均粒徑為100μm的石油焦、瀝青焦、石墨和炭黑混合均勻，隨后在混捏機(jī)中預(yù)熱至140℃，將高溫瀝青加入混捏機(jī)混捏1.5h，高溫瀝青加入量占混合物料總重的25wt％，混捏后冷卻，再粉碎至250μm以下制得粉料；

步驟1中，石油焦、瀝青焦、石墨和炭黑的配比按質(zhì)量百分比構(gòu)成為：

石油焦44wt％，瀝青焦44wt％，石墨10wt％，炭黑粉2wt％。

步驟2：將步驟1所得粉料先在200mpa壓力下預(yù)壓成型，再在160℃、180mpa壓力下溫壓成型并保持1h，獲得碳預(yù)制素坯；

步驟3：將碳預(yù)制素坯置入碳化爐中，在氮?dú)鈿夥障拢?℃/h升溫至1150℃，保溫24h，隨后冷卻至室溫制得碳基體；

步驟4：將碳基體與鋁合金裝入石墨模具中，置入壓力熔滲爐中以25℃/min升溫至750℃，并在6min內(nèi)快速加壓至6mpa的壓力浸滲20min；自然冷卻至室溫后出爐，脫模得到鋁/碳基復(fù)合材料。

實(shí)施例3：

本實(shí)施例中通過壓力浸滲鋁合金制備鋁/碳基復(fù)合材料的方法如下：

步驟1：將平均粒徑為150μm的石油焦、瀝青焦、石墨和炭黑混合均勻，隨后在混捏機(jī)中預(yù)熱至130℃，將高溫瀝青加入混捏機(jī)混捏1h，高溫瀝青加入量占混合物料總重的30wt％，混捏后冷卻，再粉碎至250μm以下制得粉料；

步驟1中，石油焦、瀝青焦、石墨和炭黑的配比按質(zhì)量百分比構(gòu)成為：

石油焦41wt％，瀝青焦41wt％，石墨15wt％，炭黑粉3wt％。

步驟2：將步驟1所得粉料先在190mpa壓力下預(yù)壓成型，再在170℃、180mpa壓力下溫壓成型并保持1h，獲得碳預(yù)制素坯；

步驟3：將碳預(yù)制素坯置入碳化爐中，在氮?dú)鈿夥障?，?℃/h升溫至1250℃，保溫48h，隨后冷卻至室溫制得碳基體；

步驟4：將碳基體與鋁合金裝入石墨模具中，置入壓力熔滲爐中以25℃/min升溫至750℃，并在8min內(nèi)快速加壓至12mpa的壓力浸滲30min；自然冷卻至室溫后出爐，脫模得到鋁/碳基復(fù)合材料。

實(shí)施例4：

本實(shí)施例中通過壓力浸滲鋁合金制備鋁/碳基復(fù)合材料的方法如下：

步驟1：將平均粒徑為180μm的石油焦、瀝青焦、石墨和炭黑混合均勻，隨后在混捏機(jī)中預(yù)熱至130℃，將高溫瀝青加入混捏機(jī)混捏1h，高溫瀝青加入量占混合物料總重的40wt％，混捏后冷卻，再粉碎至250μm以下制得粉料；

步驟1中，石油焦、瀝青焦、石墨和炭黑的配比按質(zhì)量百分比構(gòu)成為：

石油焦46wt％，瀝青焦47wt％，石墨5wt％，炭黑粉2wt％。

步驟2：將步驟1所得粉料先在180mpa壓力下預(yù)壓成型，再在170℃、180mpa壓力下溫壓成型并保持1.5h，獲得碳預(yù)制素坯；

步驟3：將碳預(yù)制素坯置入碳化爐中，在氮?dú)鈿夥障拢?℃/h升溫至1250℃，保溫48h，隨后冷卻至室溫制得碳基體；

步驟4：將碳基體與鋁合金裝入石墨模具中，置入壓力熔滲爐中以35℃/min升溫至800℃，并在5min內(nèi)快速加壓至10mpa的壓力浸滲20min；自然冷卻至室溫后出爐，脫模得到鋁/碳基復(fù)合材料。

實(shí)施例5：

本實(shí)施例中通過壓力浸滲鋁合金制備鋁/碳基復(fù)合材料的方法如下：

步驟1：將平均粒徑為180μm的石油焦、瀝青焦、石墨和炭黑混合均勻，隨后在混捏機(jī)中預(yù)熱至130℃，將高溫瀝青加入混捏機(jī)混捏1h，高溫瀝青加入量占混合物料總重的35wt％，混捏后冷卻，再粉碎至250μm以下制得粉料；

步驟1中，石油焦、瀝青焦、石墨和炭黑的配比按質(zhì)量百分比構(gòu)成為：

石油焦46wt％，瀝青焦46wt％，石墨5wt％，炭黑粉3wt％。

步驟2：將步驟1所得粉料先在180mpa壓力下預(yù)壓成型，再在170℃、180mpa壓力下溫壓成型并保持2h，獲得碳預(yù)制素坯；

步驟3：將碳預(yù)制素坯置入碳化爐中，在氮?dú)鈿夥障拢?℃/h升溫至1250℃，保溫48h，隨后冷卻至室溫制得碳基體；

步驟4：將碳基體與鋁合金裝入石墨模具中，置入壓力熔滲爐中以35℃/min升溫至800℃，并在6min內(nèi)快速加壓至9mpa的壓力浸滲40min；自然冷卻至室溫后出爐，脫模得到鋁/碳基復(fù)合材料。

實(shí)施例1-5制得的復(fù)合材料的基本物理性能列見下表1：

表1材料的性能表征

由表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出：

1、多孔碳基體密度越低，浸滲鋁合金后得到的鋁/碳基復(fù)合材料的密度越大。

2、隨著復(fù)合材料中浸滲的鋁合金含量的增加，鋁/碳基復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性得到大幅提升，硬度小幅上升。

3、伴隨著基體中浸滲鋁合金，復(fù)合材料中自由電子數(shù)量得以增加，復(fù)合材料的電阻率下降。