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活性炭纖維增強(qiáng)炭基導(dǎo)電復(fù)合材料
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| 發(fā)布時(shí)間：
2022/12/16 |
活性炭纖維增強(qiáng)炭基導(dǎo)電復(fù)合材料
1、浸金屬純炭導(dǎo)電材料
浸金屬純炭導(dǎo)電材料的基本制造方法如下：先制成炭坯料，然后向坯料中浸漬熔融金屬，形成堅(jiān)硬的網(wǎng)狀骨架，達(dá)到提高材料強(qiáng)度、耐沖擊性、耐磨性和延長(zhǎng)使用壽命的目的。用于浸漬的金屬必須具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐磨、熱導(dǎo)率高、耐腐蝕、在熔融狀態(tài)下黏度小且流動(dòng)性好的特點(diǎn)，一般選用錫、銻、銅、鉛合金或巴氏合金。為了達(dá)到好的浸漬效果，針對(duì)金屬對(duì)炭、石墨浸潤(rùn)性差的問(wèn)題，一方面可采用真空高壓浸漬設(shè)備，另一方面可采取措施改善合金和炭、石墨的浸潤(rùn)性。例如，用浸漬金屬的鹽熔液煮沸坯料，在還原性氣氛下使坯料空隙表面形成金屬層，或者向合金中添加促進(jìn)浸潤(rùn)的物質(zhì)(如B2 03、Si02、Ti、Cr和Mn等)。
浸金屬炭導(dǎo)電材料既具有粉末冶金材料機(jī)械強(qiáng)度高和電阻率小的特點(diǎn)，又具有純炭導(dǎo)電材料對(duì)導(dǎo)線磨耗小、在導(dǎo)線摩擦表面易形成潤(rùn)滑膜和熄弧性強(qiáng)的優(yōu)良性麓，是目前被認(rèn)為對(duì)導(dǎo)線適應(yīng)能力較強(qiáng)的電極材料。
2、金一纖維增強(qiáng)炭薹復(fù)合材料
金屬纖維增強(qiáng)炭基復(fù)合材料是隨著復(fù)合材料的興旺發(fā)展而出現(xiàn)的，作為高強(qiáng)度導(dǎo)電材料，國(guó)內(nèi)目前尚處于實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)階段，還沒(méi)有產(chǎn)品投入實(shí)際應(yīng)用。
以金屬纖維、金屬粉末、金屬絲網(wǎng)或它們的混合物增強(qiáng)炭基體，采用適當(dāng)?shù)幕炝戏绞绞乖鰪?qiáng)劑均勻地分布于基體之中，然后進(jìn)行冷壓或熱壓，再經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)即得到此種復(fù)合材料。這種材料的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能都比較好，但如果出現(xiàn)增強(qiáng)劑的損傷，復(fù)合材料的導(dǎo)電性能會(huì)嚴(yán)重惡化。由于金屬在炭基體中以較大的尺寸分布，該復(fù)合材料滑板對(duì)銅導(dǎo)線的磨損也較嚴(yán)重。
20世紀(jì)90年代初，國(guó)外生產(chǎn)了一種炭基體分布著鋼纖維的復(fù)合材料。該方法用焦炭粉混合鋼纖維(體積分?jǐn)?shù)為30％)，以瀝青作黏結(jié)劑，經(jīng)500℃熱壓成型，然后于1000℃炭化處理，再經(jīng)800℃熱處理后水淬麗成。由于在炭化和熱處理過(guò)程中，鋼纖維表面會(huì)發(fā)生過(guò)度滲碳，降低復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度，因此需對(duì)鋼纖維進(jìn)行表面預(yù)處理，主要是化學(xué)鍍銅。鋼纖維表面經(jīng)化學(xué)處理后，抑制了金屬纖維的炭化趨勢(shì)，保證了金屬纖維本身的強(qiáng)度不被削弱，從麗提高了炭素復(fù)合材料的整體強(qiáng)度。這種復(fù)合材料的密度約為3.79/cm3，硬度在75HS左右，抗彎強(qiáng)度在160MPa左右，沖擊韌性約為1.0J/cm2，電阻率約為150Q·m[26]。
3、炭一銅基復(fù)合材料
根據(jù)增強(qiáng)體的不同，此類復(fù)合材料又包括SiC顆粒增強(qiáng)炭一銅復(fù)合材料、活性炭纖維增強(qiáng)炭一銅復(fù)合材料和連續(xù)SiC纖維增強(qiáng)炭一銅復(fù)合材料。
(1)SiC顆粒增強(qiáng)炭一銅復(fù)合材料
SiC顆粒增強(qiáng)炭一銅復(fù)合材料的制備主要有粉末冶金法、復(fù)合電鑄法和復(fù)合電沉積法等，不能采用液態(tài)法，原因是在高溫液態(tài)下銅和SiC會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的化學(xué)反應(yīng)E283而損害增強(qiáng)體。
S．C．Tjong等應(yīng)用熱等靜壓法制備了SiC顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，并測(cè)定了其耐磨性能、屈服強(qiáng)度和維式硬度，雖然其耐磨性能和維式硬度提高了，但其屈服強(qiáng)度卻比基體銅還低。其原因是SiC顆粒和基體銅之間在固態(tài)條件制備下既不潤(rùn)濕，又沒(méi)有界面反應(yīng)，因而界面結(jié)合太弱了。K．M．Shu等采用化學(xué)鍍的方法在 SiC顆粒表面包覆一層銅后通過(guò)粉末冶金法制備成型，并對(duì)比了無(wú)涂層和有涂層處理兩種試樣的顯微組織和熱膨脹特性，發(fā)現(xiàn)有涂層的界面結(jié)合較好，而且其熱膨脹系數(shù)也能得到有效的減少。湛永鐘等也采用化學(xué)處理工藝在SiC顆粒增強(qiáng)物表面均勻包覆了一層銅，使復(fù)合材料獲得緊密的界面結(jié)合，經(jīng)過(guò)界面改性后，發(fā)揮了SiC顆粒的增強(qiáng)作用，使復(fù)合材料獲得了更高的強(qiáng)度和硬度，而電導(dǎo)率只有少許下降。
(2)活性炭纖維增強(qiáng)炭一銅復(fù)合材料
目前制備活性炭纖維增強(qiáng)炭一銅復(fù)合材料的方法主要有固態(tài)法(粉末冶金法、熱壓法等)和液態(tài)金屬法(擠壓鑄造法、液態(tài)金屬浸漬法、真空壓力浸漬法等)。
由予活性炭纖維與鋼之聞既不潤(rùn)濕，在固、液態(tài)下又不發(fā)生反應(yīng)，因此在制備活性炭纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，首先遇到的難題就是解決兩相之聞的潤(rùn)濕性，目前的研究主要從基體中加入合金元素或?qū)钚蕴坷w維進(jìn)行表露處理蕊個(gè)方面來(lái)改善潤(rùn)濕性。由于合金元素的加入往往會(huì)在界面處形成反應(yīng)層，造成纖維的損傷．影響復(fù)合材料的力學(xué)性能及導(dǎo)電性能，所以常用的方法是對(duì)活性炭纖維進(jìn)行表面處理。
目前較有成效的纖維表面處理方法是在活性炭纖維表面涂覆一層金屬，最常見(jiàn)的是用涂覆鋼來(lái)改善活性炭纖維與銅液的潤(rùn)濕性，以提高復(fù)合材料的界雨結(jié)合強(qiáng)度?；钚蕴坷w維表面鍍鋼的方法很多，常用的方法有化學(xué)鍍銅、電鍍銅和氣棚沉積鍍銅等。
無(wú)論采用何種鍍銅方法，一般都要求在鍍銅前對(duì)纖維進(jìn)行表面清洗及改性處理。國(guó)內(nèi)王玉林和萬(wàn)怡灶等、鳳儀等以及國(guó)外的C．Schrank等[37]在這方面做了大量工作。王玉林等通過(guò)在Cf/Cu復(fù)合材料的基體銅中添加不同的合金元素(Sn、Ni、Fe)來(lái)改善界面結(jié)合強(qiáng)度，他們制備Cf/Cu復(fù)合材料采用的方法是連續(xù)三步電沉積后真空熱壓，其工藝漉程為：活性炭纖維預(yù)處理一第一步電沉積Cu一第二步電沉積Cu一第三步電沉積Cu一真空熱壓。
(3)連續(xù)SiC纖維增強(qiáng)炭一銅復(fù)合材料
連續(xù)SiC纖維增強(qiáng)炭一銅復(fù)合材料的制備有直接纖維涂層法和引入Ti作為中間層兩種方法。直接纖維涂層法是指直接在SiC纖維表面電鍍一層一定厚度的銅，然后將其裝入銅制的包套中，抽真空并焊封后進(jìn)行熱等靜壓成型。引入Ti作為中間層是在纖維上濺射一定厚度的Ti(通常為幾十納米到100nm)，然后濺射一定厚度的銅(用來(lái)防止Ti的氧化)，再在已被涂敷的纖維上電鍍一定厚度的銅(其厚度可根據(jù)復(fù)合材料纖維體積分?jǐn)?shù)的要求確定)，最后也是按直接纖維涂層法一樣進(jìn)行熱等靜壓成型。
分析測(cè)試結(jié)果表明，沒(méi)有濺射Ti進(jìn)行改性的界面剪切應(yīng)力rd和界面摩擦應(yīng)力rf均不高，纖維很容易從基體里頂出。纖維和基體之間有較大的裂縫，其原因可能是SiC纖維表面的富炭涂層與銅既不潤(rùn)濕和相互擴(kuò)散，又不發(fā)生反應(yīng)，這使得炭涂層猶如纖維和基體之間的潤(rùn)滑劑，因此纖維和基體之間的界面機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度很低。而纖維表面涂覆一層Ti之后，鈦和炭在一定溫度下發(fā)生反應(yīng)生成TiC。這層TiC形成了一個(gè)從基體到纖維的過(guò)渡區(qū)，具有介于基體和纖維中間的物理性質(zhì)，使其模量具有漸變特征，能使復(fù)合材料在受力過(guò)程中基體和纖維的承載均勻。
對(duì)于SiC顆粒、活性炭纖維和SiC纖維增強(qiáng)的炭一銅復(fù)合材料，其基體和增強(qiáng)體之間的界面改性問(wèn)題均尚無(wú)定論，制備工藝尚不成熟，而且部分力學(xué)性髓尚無(wú)參考數(shù)據(jù)可言。對(duì)顆粒表面進(jìn)行基體或其他元素涂覆以改善SiC顆粒增強(qiáng)炭一銅復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度將是一種主要手段，但選擇合適的涂覆工藝、降低成本、探索合適的制備工藝參數(shù)(如制備溫度、壓力和時(shí)間)以及研究該材料的熱膨脹特性等還值得進(jìn)一步發(fā)展。
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