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淺析石墨模具復合材料的性能及應用
2023-10-26

石墨模具復合材料的性能及應用銅-石墨復合材料即具有銅基體的高強度,導熱快,導電性好,而電弧燒灼等優異性能,又具有石墨的潤滑性能好尤其是高溫潤滑性好等特點,其綜合性能優良,是制備現代自潤滑摩擦零部件,電接觸到點零部件的理想材料(石墨制品)。需求領域非常廣泛,遍布于機械傳動,交通,軍事,航空航天等需要進行減磨,導電的領域。銅-石墨復合材料有代表行的特色鮮明的應用,主要是在自潤滑摩擦于電接觸導電功能同事需要的電刷,受電弓滑板等方面。


石墨模具


石墨模具復合材料

復合材料的物理、力學性能與界面性質密切相關。C/Cu復合材料尤其如此。自C/Cu復合材料問世以來,Cu基體與碳增強體的界面就成為關注的焦點。希望Cu與碳增強體有良好的相容性。高溫下,液態銅與碳增強體既不潤濕也不發生反應。即使在1285℃下,銅與碳也不潤濕。這就使制備的C/Cu復合材料的界面只能是機械互鎖,結合強度低。當承受載荷時,往往造成碳增強體的拔出、剝離或脫落。為了制備具有優良的物理、力學性能的C/Cu復合材料,關鍵是改善銅基體與碳增強體的潤濕性。

金屬基復合材料是包括顆粒、晶須、纖維增強金屬基體的復合材料。金屬基復合材料兼具金屬與非金屬的綜合性能,材料的強韌性、耐磨性、耐熱性、導電導熱性及耐候性能適應廣泛的工程要求,且比強度、比模量及耐熱性超過基體金屬,對航空航天等尖端領域的發展具有重要作用。在該類材料中,所用基體金屬包括輕合金(鋁、鎂)、高溫合金與金屬間化合物,以及鋼、銅、鋅、鉛等;增強纖維包括碳(石墨)、碳化硅、硼、氧化鋁、不銹鋼及鎢等纖維;增強顆粒包括碳化硅、氧化鋁、碳化硼等;增強晶須包括碳化硅、氧化硅、硼酸鋁等。

以上各種基體和增強體可組成大量金屬基復合材料,但目前多數處于研發階段,只有少數得到應用。如硼、石墨纖維增強鋁(鎂)用于衛星、航天飛機結構、空間望遠鏡部件,碳化硅纖維與顆粒增強鈦合金用于大推重比飛機壓氣機部件,顆粒增強鋁基復合材料(PRA)廣泛用于航空、航天及汽車、電子領域。在金屬基復合材料中顆粒增強鋁基復合材料最具發展潛力。該材料具有比強度和比模量高,耐磨性、阻尼性及導熱性好,熱膨脹系數小等優異性能。其主要應用領域一是航空、航天和軍事領域,二是汽車、電子信息和高速機械等民用領域。發展目標是代替鋁合金、欽合金、鋼等用于制造高性能的構件,減重并提高性能和儀器精度。

銅基復合材料按增強體的不同可分為:硼化物(TiB2,ZrB2,CrB2)增強型、氧化物(A12O3、Y2O3、ZrO2、ThO2、SiO2)增強型、碳化物(ZrC、WC、SiC、NbC、TaC、TiC)增強型、氮化物(AlN)增強型以及硅化物增強型等。目前常見的增強體還有:Ni2Sn、Fe2Ti、NixTiy、Fe2P、Co2P、Mg3P2等。增強體的形態主要包括纖維、晶須、顆粒等[4]。引入纖維、晶須、陶瓷顆粒等高強度的強化相增強基體顯示出良好的發展前景,其方法是向銅基體內植入穩定的高強度第二相,通過冷變形等加工處理,使第二相以彌散的顆粒狀或纖維狀分布與基體中,達到機械能和電導性能的最佳性能佳匹配。

銅基復合材料

銅基復合材料依據增強相的形態可分為:顆粒(B、C、SiC、B4C、Si3N4、WC、Mo2C、ZrO2、ZrB2、A1203、碳納米管和石墨)增強銅基復合材料、纖維(C纖維、Ti纖維、B纖維)增強銅基復合材料、晶須(SiC晶須)增強銅基復合材料等。

石墨/銅基復合材料不僅具有銅的良好的強度、硬度,優良的導電、導熱、耐蝕性,還具有石墨良好的自潤滑性、高熔點、抗熔焊性和耐電弧燒蝕性,現已應用于電接觸材料、摩擦材料、導電材料、油軸承和機械零件材料(如:電機用電刷,小型精密自潤滑軸承,接觸導線、受電弓、極靴和其它集電器電接觸部件[5]等),特別是作為受電弓滑板材料和電刷材料,有著廣泛的應用。提高石墨/銅復合材料的綜合性能一直以來都是科研人員研究的主要內容。目前,對于石墨/銅復合材料的研究主要集中在界面問題、添加物及纖維增強等方面。

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