（材料学专业论文）cccu复合材料的研制.pdf

中南火学硕1 ：学位论文摘要 摘要 滑动电接触材料既要求小而稳定的接触电阻、不熔焊、寿命长、 还要求小的摩擦系数、低的磨损率、运动平滑而稳定。铜具有高的导 电、导热性及优良的工艺性能，可应用于滑动接触材料领域。但铜的 强度低，耐热性差，高温下易软化变形，磨损大，因而其应用受到限 制。石墨铜复合材料可以综合石墨的优良摩擦性能和铜的导电性能， 用于滑动电接触材料，但是铜在石墨中成孤岛状分布，影响材料的性 能。c c 复合材料具有低密度、高强度、耐高温、高导电、导热性、 以及优异的摩擦磨损特性，在航空航天领域已得到广泛应用，但其抗 氧化、抗烧蚀性能还需要进一步提高。 本文利用了c c 复合材料中有大量孔隙分布的特点，采用真空熔 渗技术制备了c c - c u 复合材料。探讨了其做为滑动电刷材料的可能 性。并为制备航天航空用高性能c c - c u 复合材料，利用铜的高温发 汗性能和好的热传导性能提高其抗烧蚀性能提供了技术基础。 针对铜和c c 复合材料润湿性差的缺点，本文采用基体合金化改 性技术，分别研究了添加t i 、c r 、a l 等元素对铜和c c 复合材料之 间润湿性能的影响。结果表明：添加合金元素主要是改善了铜的润湿 性，通过毛细管力作用铜液渗入到c c 复合材料坯体中。其中以添加 7 1 6w t t i 元素的铜合金液对c c 复合材料有好的润湿性。 ( 1 ) c c c u 复合材料的硬度随着铜的渗入量的增加而升高，随着 添加t i 含量的增加而升高。渗入的铜在c c 复合材料中呈网状分布， 使材料有好的导电性能。随着材料密度的增加，材料的导电性能增加； 随着添加t i 含量的增加，导电性能降低。 ( 2 ) c c 。c u 复合材料的电阻率范围在o 1 o 8 uq m 之间，金 属石墨电刷的电阻率范围在0 1 1 2uq m 之间，c c c u 复合材料 能满足金属石墨电刷所需要的导电性能。 ( 3 ) 摩擦试验结果表明：随着材料密度的增加，铜所占比例的增 加，材料的摩擦系数和体积磨损增加；随着添加t i 含量的增加，材 一 中南人学硕+ 学位论文 摘要 料摩擦系数增加，体积磨损减小。随着时间的延长，c c c u 复合材 料的摩擦系数增加，最后趋于稳定；随着载荷的增加，材料摩擦系数 和体积磨损先是增加然后减小；采用铜合金对偶时，c c c u 复合材 料的摩擦系数和磨损量比采用4 0 c r 钢对偶时的低。 ( 4 ) 采用4 0 c r 钢对偶时，c c c u 复合材料的摩擦系数与j 2 0 4 金 属石墨电刷的接近，但其体积磨损量远远小于j 2 0 4 材料。c c c u 复 合材料的磨损机制主要有磨料磨损、粘着磨损。 关键词c c 复合材料，c c c u 复合材料，摩擦性能，导电性能 _ i 卜一 中南人学硕十学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t s l i d i n ge l e c t r i c a lc o n t a c tm a t e r i a l sr e q u e s tl o wa n ds t a b l ec o n t a c t r e s i s t a n c e ，n o tt om e l tw e l d s ，l o n gl i f e ，l o wf r i c t i o nc o e 佑c i e n t ，l o ww e a r r a t ea n ds t a b l em o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c s t h ec o p p e rh a sh i g he l e c t r i c c o n d u c t i v i t y , t h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dg o o dm a c h i n i n gc h a r a c t e r i s t i c s ， w h i c hh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di ns u c hf i e l d b u tt h ea p p l i c a t i o no ft h e c o p p e rh a sb e e nr e s t r i c t e dd u et ot h el o ws t r e n g t h ，b a dt h e r m a ls t a b i l i t y , h i g hw e a rr a t e ，e a s ys o f t e na n dd i s t o r t e dc h a r a c t e r i s t i c su n d e rh i g h t e m p e r a t u r e 。i ng r a p h i t e c o p p e rc o m p o s i t e s ，t h ec o p p e ri se a s yt ob e i s l a n d l i k ei nt h ec o m p o s i t e s ，w h i c hi n f l u e n c et h ee l e c t r i cc o n d u c t i v i t y c cc o m p o s i t e sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nt h ea e r o s p a c ef i e l dd u et ot h e l o wd e n s i t y , h i g hs t r e n g t h ，t h e r m o s t a b l ep e r f o r m a n c e ，e x c e l l e n te l e c t r i c a n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n de x c e l l e n tt r i b o l o g y p r o p e r t i e s b u t i t s a p p l i c a t i o n f i e l da l s oh a sb e e nr e s t r i c t e d i nt h er e a s o no fb a d a n t i - o x i d a t i o na n db a da n t i - a b l a t i o np r o p e r t i e s s i n c ec cc o m p o s i t e sh a v es o m ep o r o s i t y , c c - c uc o m p o s i t e sw e r e f a b r i c a t e db yt h ev a c u u mi n f i l t r a t i o no fc ua n dd i s c u s s e dt h ep o s s i b i l i t y o ft h ec c c uc o m p o s i t e st ob eu s e df l se l e c t r o n i cb r u s hm a t e r i a l s i n c e c uh a s h i g ht e m p e r a t u r ep e r s p i r a t i o np r o p e r t y a n dg o o dt h e r m a l c o n d u c t i v i t y ，t h e r e s e a r c hi st h ef o u n d a t i o nt of a b r i c a t ec c c u c o m p o s i t eu s e da sa v i a t i o na n ds p a c em a t e r i a l d u et ot h eb a dw e t t i n gp r o p e r t yb e t w e e nc ua n dc cc o m p o s i t e ，i n o r d e rt oi n f i l t r a t et h e c o p p e r i n t oc c c o m p o s i t e ，w e t t i n gp r o p e r t y m o d i f i c a t i o ni sn e e d e d t h ei n f l u e n c eo ft h ea d d i n gt i ，c ra n da 1o nt h e w e t t i n gp r o p e r t yo fm o l t e nc o p p e ro nt h es u r f a c eo fc cc o m p o s i t e sw a s s t u d y e d t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ei m p r o v e m e n to fa d d i n ga l l o y e l e m e n t sf o rt h em o l t e nc o p p e ri n f i l t r a t i o ni n t ot h ec c c o m p o s i t e s p e r f o r mr e s u l t sf r o mt h ei m p r o v e m e n to ft h ec h e m i c a la n dp h y s i c a l a d s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i co fc o p p e ro nt h ec cc o m p o s i t e t h ec o p p e r a d d e d7 - - 16w t t i t a n i u mh a sg o o dw e t t i n gp r o p e r t yo nt h es u r f a c eo f c cc o m p o s i t e sp e r f o r m ( 1 ) t h eh a r d n e s so fc c c uc o m p o s i t e si n c r e a s ew i t ht h ei n f i l t r a t i o n c o n t e n to fc o p p e ra n dt h et ia d d i n gc o n t e n t t h ec o p p e rs h o w st h en e t l i k e d i s t r i b u t i o ni nt h ec o m p o s i t e s ，w h i c he n a b l et h em a t e r i a lh a v eg o o d i i i 中南人学硕十学位论文 a b s t r a c t e l e c t r i cc o n d u c t i v i t y w i t ht h ed e n s i t y i n c r e a s e s b u tw i t ht h ei n c r e a s e s c o n d u c t i v i t yr e d u c e s i n c r e a s e s ，t h ee l e c t r i cc o n d u c t i v i t y o ft i p r o p o r t i o n ，t h e e l e c t r i c ( 2 ) t h ee l e c t r o n i cr e s i s t i v i t yo fc c c uc o m p o s i t e ss c o p e sb e t w e e n o 1 o 8uq n l ，a n dt h ee l e c t r o n i cr e s i s t i v i t yo fm e t a lg r a p h i t eb r u s h s c o p e sb e t w e e n0 1 12l aq m c c 。c uc o m p o s i t e sc a ns a t i s f yt h e e l e c t r i cc o n d u c t i v i t yw h i c ht h em e t a lg r a p h i t eb r u s hn e e d s ( 3 ) t h er e s u l t so fw e a rt e s ts h o wt h a tw i t ht h ei n c r e a s ed e n s i t yo f t h ec c c uc o m p o s i t e s t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t sa n db u l kw e a rl o s so ft h e c o m p o s i t ei n c r e a s e w i t h t h ei n c r e a s ei n t ic o n t e n t t h ef r i c t i o n c o e 伍c i e n t si n c r e a s e w h i l et h eb u l kw e a rl o s sd e c r e a s e w i t ht h ep r o l o n g i nt e s tt i m e t h ef r i c t i o nc o e m c i e n t si n c r e a s ea n dg ot os t a b l ee v e n t u a l l y w i t ht h ei n c r e a s ei nt e s tl o a d s t h ef r i c t i o nc o e f ! f i c i e n t sa n db u l kw e a ri o s s i n c r e a s ea tf i r s ta n dt h e nd e c r e a s e u s i n gc o p p e ra l l o ya sc o u p l ep a r t s ，t h e f r i c t i o nc o e f j f i c i e n t sa n db u l kw e a rl o s so ft h ec o m p o s i t ea r el o w e rt h a n t h o s eo ft h ec o m p o s i t eu s i n g4 0 c rs t e e lc o u p l ep a r t s ( 4 ) u s i n g4 0 c rs t e e la sc o u p l ep a r t s ，t h ec c c uc o m p o s i t eh a s s i m i l a rf r i c t i o nc o e f f i c i e n tv a l u ea st h a to f j 2 0 4e l e c t r o n i c sb r u s hm a t e r i a l ， b u tt h eb u l kw e a rl o s so ft h ec o m p o s i t ea r el o w e rt h a nt h o s eo ft h ej 2 0 4 m a t e r i a l t h em a i nw e a rm e c h a n i s m so ft h ec c c uc o m p o s i t ea r eg r a i n w e a ra n da d h e s i o nw e a r k e yw o r d s ：c cc o m p o s i t e s ，c a r b o n c o p p e rc o m p o s i t e s ，e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y , f r i c t i o na n dw e a rb e h a v i o u r i v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 储躲埤隰丛年互月卫日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：导师签名日期：盟五年月业 中南人学硕+ 学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1研究背景 1 1 1c c 复合材料的发展历程及应用状况 人类发展的历史证明，材料是社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里 程碑。当前以信息、生命和材料三大学科为基础的世界规模的新技术革命风涌兴 起，它将人类的物质文明推向一个新阶段。在新一代材料中，复合材料占有很重 要的地位，复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的 一种多相固体材料。它既可以保持原材料的某些特点，又能发挥组合后的新特征， 可以根据要求进行设计，从而最合理的达到使用所要求的性能【1 2 】。 c c 复合材料是指以炭纤维作为增强体，以炭作为基体的一类复合材料，于 1 9 5 8 年诞生于c h a n c ev o u g h t 航空实验室1 3 , 4 , 5 l 。并且在美国空军的宇宙飞船 d y n a - s o a r 计划和n a s a 的阿波罗计划中得到了发展。2 0 世纪7 0 年代，c c 复 合材料在美国和欧洲得到了快速的发展，开发了炭纤维的多向编织技术，高压液 相浸渍工艺以及化学气相渗透( c v i ) i 艺，使c c 复合材料的性能得到进一步提 高。2 0 世纪8 0 年代以来，c c 复合材料在世界各国的研究都极为活跃，不断开 发出新工艺，在性能提高、快速致密化、抗氧化等研究领域都取得了很大的进展 【2 j 。在c c 复合材料发现以后的最初几年里，主要作为超高温、耐烧蚀材料被研 究和制造1 7 】；到6 0 年代末期，由于认识到其优异的力学性能、热学性能和物理 性能，才开始成为工程材料领域新的一员【8 】；7 0 年代，主要研究c c 复合材料 的摩擦和烧蚀性能，以飞机刹车片、导弹端头帽和火箭喷管、喉衬的应用为代表 1 9 j ，并推出了炭纤维多向编织技术、化学气相渗透技术( c v i ) 和高压液相浸渍 技术等编织方法和增密工艺，有效地提高了c c 复合材料的密度，为其生产和 应用开辟了广阔的前景【6 l ；8 0 年代，主要开发c c 复合材料作为热结构材料， 以抗氧化技术研究为主要方向，前苏联和同本等国相继进入这一领域【l 川；9 0 年 代以来，主要开发c c 复合材料新工艺，以期缩短工艺周期，降低成本，扩大 其在航空、航天方面的应用【1 0 , 1 1 , 1 2 ，并开始进入民用领域( 1 3 , 1 4 , 1 5 】。 c c 复合材料全部由碳元素组成，具有炭和石墨材料的许多优点：比重小， 实际使用材料的密度约1 8 0 9 c m 3 ；优异的力学性能和物理性能，如高温下高比 强、高比模，低的热膨胀系数和烧蚀率，高热导率，良好的断裂韧性、耐腐蚀性、 中南人学硕十学位论文第一章文献综述 高温热稳定性、抗热震性和抗疲劳性能，优异的摩擦磨损性能和生物相容性，对 宇宙辐射不敏感，在核辐射下强度增加等。这些特性使c c 复合材料在众多领 域受到极大关注并广泛应用。在航天领域高温烧蚀部件上成为必然的材料选择， 如火箭喷管和发动机部件，导弹喉衬，航天飞行器部分结构部件如主翼、前端和 鼻锥等1 4 。 由于c c 复合材料质量轻、热导率高、比热大、热膨胀系数小、能载水平 高、摩擦磨损性能好，成为当今飞机和高速列车最理想的刹车材料。在飞机刹车 方面，世界上已有6 0 余种飞机采用c c 刹车装置替代了以往的会属基刹车片【i i 1 2 j ，如波音系列：b o e i n 9 7 4 7 、b o e i n 9 7 5 7 、b o e i n 9 7 6 7 和b o e i n 9 7 7 7 等；空中客 车系列：a 3 0 0 、a 3 1 0 、a 3 2 0 、a 3 3 0 和a 3 4 0 等；在军机方面有美国的f 系列、 英国鹞式战机和法国幻影系列等；我国也有部分军机试用炭刹车盘，并已在客机 上使用。此外，在高速列车、新型坦克和方程式赛车等方面也日益重视c c 复 合材料的应用l l6 1 。目前在这一领域，主要被英、法、美等国的m e s s i e r 、 b e g o o d r i c h 、b e n d i x 、d u n l o p 和g o o d y e a r 等五家公司所垄断。我国从7 0 年代 后期才丌始这方面的研究，目前主要有中南大学、西北工业大学和中国航天集团 第四研究院4 3 所等几家单位在进行多方面的研究【l7 1 。 与金属和陶瓷材料相比，c c 复合材料在组织成分及力学性能等方面均有很 好的生物相容性，对生物没有毒性和致癌性。在生物医学方面，可用作人体骨骼 的替代材料，如心脏瓣膜、人工关节和人工骨等；也可作高功能医疗器械的部件， 如x 射线装置、超声波诊断装置、c t 扫描和假肢等【1 3 , 1 4 , 1 8 l ，具有很好的社会效 益和经济效益。 由于c c 复合材料优异的耐腐蚀性能，使其在船舶、海洋领域也有广泛的 应用，作为结构或功能部件，如艇身、舵、浆叶和甲板等在赛艇、摩托艇、高技 术巡逻艇和轻量级游艇等中都有大量的运用；在江河、海洋领域里，可进一步作 为大型浮游结构物、防洪堤和船坞等其它沉降式构造物【1 7 】。 随着航空发动机技术、液压技术和动力机械的飞速发展，要求材料具有高强 度、耐高温、耐腐蚀、低的摩擦系数和热膨胀系数、小的体积磨损等优良的综合 性能，能够在高速、高压、高温及腐蚀环境下工作。c c 复合材料正成为国内外 研究的焦点，在许多高压釜、化工设备和高速旋转的机械、机构中，由于转速高、 压力高、腐蚀性强，许多材料无法满足要求，c c 复合材料有望成为首选材料。 在一般的工业领域，也在开发作为高温紧固件、热压模具、超塑性加工模具、 加热元件及高温真空炉内衬材料；作为高导热、导电、电磁屏蔽和抗静电材料， 应用于舰艇通讯室、电子仪器仪表构件、高能电极及高功率电子装置的散热器 i l l 。此外，在体育、娱乐方面的应用也逐渐形成一定的市场。 中南人学硕士学位论文第一章文献综述 c c 复合材料未来的发展需要降低生产成本，拓宽应用领域，特别是朝民用 的方向发展，可以预见c c 复合材料将会为提高人们生活水平做出更大的贡献。 1 1 2 碳铜复合材料 碳【炭纤维( c f ) 、石墨( g ) 】铜基复合材料( 统称c c u 复合材料) 具有 导电导热性能好、摩擦系数小、磨损率低等优点，作为新型功能材料，一直受到 广泛关注【1 9 1 。 ( 1 ) 碳铜复合材料发展简史 早期c c u 复合材料可以追溯到本世纪3 0 年代初，即采用c u 粉和石墨粉用 粉术冶金方法制成铜石墨材料，被应用于电气工业领域。随着c f ( 炭纤维) 工业 的发展，c f 成为理想的增强材料，6 0 年代开始了c f 增强铜基复合材料的研究， 主要是将经表面预处理的c f 切碎后与c u 粉混合、球磨，然后采用冷压烧结或 热压扩散烧结制备c c u 复合材料。进入7 0 年代，为了改善c u 基体与炭增强体 的润湿性及界面结构，广泛开展了炭增强体的表面涂层研究，在炭增强体表面分 别获得单一金属、双金属及会属化合物涂层。同时，制备工艺的研究更趋多元化， 连续c f 增强铜基复合材料得到了发展。 7 0 年代未，国内有关科研机构和高等院校相继展开了c c u 复合材料的试验 研究，并取得了重要进展。纵观c c u 复合材料发展过程，其研究工作主要集中 在基体合会化、炭增强体的表面处理与界面结构、制备工艺、物理、力学性能及 应用等方面【1 9 l 。 ( 2 ) 碳铜复合材料制备工艺 制备c c u 复合材料的工艺很多，大致可分为两类：固相法和液相法。固相 法主要包括粉术冶金法、热压烧结法、热压扩散粘接法等；液相法主要包括液相 熔渗法、颗粒加入法、金属液搅拌法等【2 0 ，2 。此外，还有一些其它方法，如铸造 成型法、半固态复合制造法、自耗电极法【2 2 1 ，这些方法都有各自的优缺点。 冷压烧结法是最早用于制备c c u 复合材料的工艺之一，有成形好、试件设 计容易、便于批量生产等优点，但只适合制备石墨粉末或短纤维增强的c c u 复 合材料。冷压烧结基础上的复压复烧对c c u 复合材料的物理力学性能有明显改 善【2 3 1 。 热压烧结是使成形与烧结同时进行的一种工艺，可在较低的压力及较短时间 内制备均匀致密的c c u 复合材料。同样，热压法也适合子粉末或短纤维增强的 c c u 复合材料，炭增强体的体积分数可高于冷压烧结、法【2 4 1 。热压也是连续纤维 增强c c u 复合材料制备工艺中的一道重要工序。 热压扩散粘接法主要用于制备连续纤维增强c u 基复合材料。热压扩散粘接 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 前，c f 有多种处理方法。将镀铜c f 在含有粘接剂的铜粉浆中拖过，粘上铜粉 再集束，是行之有效的方法。文献【2 5 1 采用三步电沉积后热压扩散制备c f 增强铜 基复合材料。 液相浸渗法是以传统的铸造工艺为基础的，其特点是c u 基体必须在熔融状 态下与炭增强体复合，与固相法比较，液相浸渗很少会因外力作用对炭增强体造 成损伤。由于润湿问题，液态c u 基体要浸渗进纤维组成的丝束并非易事1 2 酬。因 此需采用一些措施来降低液体金属与固体材料的接触角改进润湿。改善金属液与 固相之间润湿性的途径可分为三类：基体金属合金化、固相表面涂层和施加外力 场【2 7 1 ，m i y a s ea 等人例在1 2 3 0 。c ，真空度小于1 3 2 1 0 。3 p a 条件下，进行了 c u + 1 0 c r 合金与表面具有碳化铬涂层的石墨的浸渗试验，发现石墨与c u c r 合金润湿并具有良好的相容性，认为这种润湿是基体合金与涂层的共同作用，但 基体金属的作用是关键性的。可以在铜中添加钛、铬等金属以提高其对炭材料的 润湿性。如c u 在1 1 0 0 时对炭石墨制品的湿润角1 4 0 。但在加入1 0 2 t i 之 后而形成的c u t i 合金则对炭石墨制品的湿润角降低到零度，加入1 2 c r 之后 而形成的c u c r 合金则对炭石墨的湿润角降低到2 3 。【2 9 1 。 胡锐通过表面改性的方法在c 多孔预制体中真空液相浸渍铜，成功的制备 出电导率和致密度较高的c c u 复合材料，通过模拟电接触测试，证明此电接触 材料能做为代银触头用于低压短路器和空气自动开关【3 。其制备c 多孔预制体 的工艺是将短纤维用甘油等分散剂分散，与有机溶剂混合，然后沉淀过滤，得到 滤饼，将此滤饼烘干，烧结即得到纤维多孔预制体，此法周期较长，得到的多孔 预制体的力学性能也较差。 李卫等人【3 l 】采用树脂炭化和炭气相沉积相结合的方法制备了炭炭纤维 ( c c f ) 先驱丝，用压力浸渗凝固成形方法制备了炭炭纤维铜( c c f c u ) 复合材 料。通过试验证明c c f c u 复合材料是一种具有摩阻功能的复合材料。此工艺 过程复杂，相应的成本也较高。 ( 3 ) 碳铜复合材料的应用与展望 目前碳铜复合材料主要应用于电接触材料( 如电刷、触头、滑板等) 和高 温结构材料p5 。 电刷是电机的重要组成部件，它的功能是在电机的固定部件与旋转部件换向 器或集电环之问传导电流。电刷性能好坏直接影响电机。低压电器( 包括汽车、 摩托车电机、交流发电机、电动工具电机等) 用的电刷大多数在低压大电流状态 下( 启动电机) 工作，要求电刷具有低的压降及好的滑动接触性能。因此，国内 目前几乎都采用过流能力较大的金属石墨电刷，即主要由铜粉加石墨粉烧结而成 【3 2 1 。 中南人学硕十学位论文第一章文献综述 低压电器的使用寿命在很大程度上取决于触头的耐磨性能和导电性能。目 前，国内外主要用银及其合金作为中、低压负荷触头的基本材料，但银的价格昂 贵，降低触头材料中的银含量或寻求无银电触头材料成为这一领域的重要研究课 题。现在代管银最合适的元素是铜，铜具有高的导电、导热性及优良的工艺性能， 广泛应用于电子、电力等工业。石墨不仅是一种良好的固体润滑剂，而且具有良 好的导电性能，常用来作为复合材料的添加组元，起润滑和增强作用【3 3 1 。碳铜 复合材料成为取代银基触头的重要材料。 我国铁路正向高速化方向发展，而电力机车是实现铁路高速化的主要交通工 具之一。电力机车用受电弓滑板作为电力机车供电系统中的重要集电元件；要求 强度高，不易损坏；作为摩擦材料，要求摩擦系数小，滑动性能好；作为电气材 料，要求导电性能良好。此外，还要求滑板本身磨耗小，同时又不易使匹配材料 磨耗。现在碳铜复合材料由于其优良的性能在这方面得到了广泛应用【蚓。 炭纤维增强铜基复合材料以其优良的导电、导热、减摩擦、耐磨损性能而受 到人们的重视。根据需要，用连续或非连续炭纤维增强铜或其合金可以得到各种 特殊性能的材料。如连续炭纤维增强铜基复合材料具有良好的高温保持率，加之 铜合金优良的抗蚀性，使这种材料可应用于高温结构材料领域。短炭纤维增强铜 基复合材料作为导电、导热以及热膨胀系数小、抗磨损的新型功能材料有着更大 的应用潜力。6 0 年代后期，国外就进行过这方面的研究工作，目前己有少数试 制品投入了使用。在碳铜复合材料的应用方面，日本提供了较多的专利1 3 副。 碳铜复合材料由于其性能优越，应用范围广，有着极为广阔的工业应用前 景。但是传统的c c u 复合材料多是以短纤维和铜用粉末冶金的方法制备，制备 工艺复杂，材料的性能也受到一定限制。将炭纤维编织再沉积炭制备多孔的c c 复合材料，然后液相熔渗铜制备c c c u 复合材料，可以扩展c c u 复合材料的 制备方法和应用范围。 1 2 c c 复合材料的制备工艺 制备c c 复合材料的主要步骤为：预制体成型一致密化处理一最终高温热 处理。在预制体成型前，根据所设计c c 复合材料的应用和工作环境来选择纤 维种类和编织方式。目前商业化的炭纤维主要有聚丙烯腈炭纤维( p a n c f ) 、沥 青炭纤维( p i t c h - c f ) 。成型方法有：( 1 ) 用短纤维增强：a 压滤法；b 喷涂法；c 热压法；d 浇注法。( 2 ) 用连续长纤维增强：a 预浸布层压、铺压、缠绕等；b 编 织技术。 成型的预制体含有许多孔隙，密度低，不能直接应用，须将炭浸渗入预制体， 填满其孔隙，成为真j 下的结构致密、性能优良的c c 复合材料。目前广泛使用 中南人学硕十学位论文 第一章文献综述 的致密化工艺有化学气相渗透( c v i ) 和液相浸渍炭化法( i c ) ，化学液气相 渗透( c l v i ) 工艺是一种新兴的快速增密方法。增密工艺流程见图1 1 。 1 2 1 化学气相渗透( c v i ) 工艺 c v i 工艺是最早采用的一种制备c c 复合材料的致密化工艺，该法足用n 2 或h 2 作载气( 稀释气体) ，低碳烃类气体作碳源气体( c h 4 、c 3 h 6 等) ，在一定 温度、压力条件下，在被加热的炭纤维预制体上发生裂解生成沉积物碳并放出的 h 2 过程。其一般原理是 3 6 , 3 7 】：a 、碳源气体反应物输送到坯体孔隙和炭纤维表面； b 、气体反应物在炭纤维表面吸附；c 、被吸附的碳氢气体在炭纤维表面进行扩散 图1 1c c 复合材料增密工艺流程图 和化学反应，形成成晶碳粒子和h 2 ，成晶碳粒子排入晶格；d 、氢分子从炭纤维 表面解吸；e 、氢分子与未反应的气体分子离开沉积区从系统中排出。c v i 工艺 的影响因素很多，主要有沉积温度、气相参数、预制体形状尺寸及其内部孔隙大 小与分布等。 自2 0 世纪6 0 年代以来，人们对c v i 工艺的研究主要集中在两个方面【3 引。 1 ) 快速致密化工艺。在传统等温法( 均热法) 的基础上，又开发了一些新 方法，大大提高沉积速度，缩短了工艺周期，降低了成本。这些新工艺有：a 热 梯度法；b 压差法；c 脉冲法；d 等离子体辅助法；e 强制流动热梯度法( f c v i ) ； 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 f 限域变温强制流动法( l t c v i ) ：g 激光c v i 法；h 自热式c v i 法；i 快速定 向扩散法等。 2 ) 热解炭组织与沉积机理。经过j c b o k r o s 、m l l i e b e r m a n 和p o l l m a n 等 人【3 8 3 9 , 4 0 l 的研究，将热解炭的偏光显微结构主要分为：光滑层( s l ) 、粗糙层( i u ) 和各向同性层( i s o ) 。这三类结构炭的一些性能参数如表1 1 1 1 7 , 4 0 j 。由于在工艺 参数设定的情况下，制件的各个沉积微区都会存在浓度起伏和温度梯度等差别， 反应的中间产物也很多，因此整个沉积过程是动态的，至今仍不能明确的解释沉 积过程。但有人根据实验现象和对产物的分析提出了一些假设以解释沉积中出现 的问题，比较有代表性的理论有：分子沉积机理、固态粒子机理、液滴机理和粘 滞小滴机理。 表1 - 1 三种结构热解炭的部分性能参数 幸d 0 0 2 和l c 均为平均值 1 2 2 液相浸渍炭化工艺 液相浸渍炭化工艺是在一定温度和压力下，将液态有机浸渍剂等炭材料前 驱体熔化。浸渗到炭纤维预制体孔隙中的过程。典型工艺过程为：预制体一浸渍 一( 固化) 一炭化一( 石墨化) ，常用的浸渍剂主要有热固性树脂和热塑性沥青 两大类，浸渍工艺有低压( 常压) 、中压和高压浸渍工艺。在选择浸渍剂时要考 虑这些前驱体材料的粘度、残炭率、流变性、炭结构及其与炭纤维的物理相容性 中南火学硕十学位论文 第一章文献综述 等因素，而这些特性又受到各工艺过程中时间一温度一压力之间关系的影响 1 4 1 ，4 2 ，4 3 1 o 为使增密材料在热解中尽可能地转变为炭，降低结构缺陷的产率，要求浸渍 剂应具备以下特性：a 残炭率高，可减少反复浸渍次数，减少炭化过程的收缩； b 炭化时不会过早转变为固态；c 固化、炭化时不易封闭坯体的孔隙通道；d 固 化后浸渍剂的热变形温度高；e 炭化时蒸汽压低，使分解形成的低分子物不挥发 掉，而是进一步环化。大多数树脂的粘性值弹性范围很大，炭化不需加压，对设 备要求低，但炭化收缩率高，热应力大，炭化后开孔率低，残炭率较低，并且在 3 0 0 0 的高温也难于石墨化，成炭密度低，因此在采用树脂作浸渍剂时，应综合 考虑可加工性、形成闭孔情况和成本等因素，目前常用的树脂浸渍剂有呋喃树脂 和酚醛树脂两种。目前，国内对树脂浸渍剂的研究报道很少，国外有研究者l 4 4 j 针对树脂炭难石墨化，进行了许多研究，发现在树脂中加入某些金属( 如f e 、 t i 等) 、非会属( 如b ) 及其化合物，对树脂炭有一定的催化石墨化的作用。k a n n o k f 等【4 5 h h a 共炭化剂，发现了应力石墨化现象。这些研究对c c 复合材料在航 空刹车方面的应用有很大帮助。 由于沥青具有软化点低、粘度低、残炭率高、能形成易石墨化炭、价格低 廉等特点，成为目前常用的浸渍剂，是一种理想的c c 复合材料基体炭的来源。 研究发现沥青在炭化时出现炭质中间相，该物质沿炭纤维方向定向排列，与纤维 有良好的润湿和粘结性，且易于产生开孔，有利于再浸渍增密，对石墨化度影响 很大。6 0 年代国外许多学者就对炭质中间相进行了大量研究，国内在8 0 年代初 才开始涉足中间相的形成机理和热物理性能方面的研究。研究发现，影响中间相 形成的因素主要有沥青的种类、组成、结构以及共存的固体杂质、杂环化合物、 金属有机物和热处理温度、压力、时问等。s h i m o k a w as 等研究认为m 】，外压可 使中间相形成温度降低，2 0 0 m p a 左右的高压下中间相不会粗化，且分布较均匀。 为了进一步提高基体残炭率、增大材料密度、改善c c 复合材料的各种性能， 人们发展了高压液相浸渍炭化工艺。 1 2 3 化学液气相渗透( c l v i ) 工艺 c l v i 工艺最早由法国原子能委员会( c e a ) 的研究人员在8 0 年代中期研制 出来并申报专利 4 7 , 4 8 】。该工艺使致密化时间缩短了两个数量级且一步成型，并避 免了传统c l v i 技术外表面结壳现象，被认为时c c 复合材料制造业的一次革命 【4 引。文献 4 9 禾1 j 用此工艺在3 h 内将1 6 0 m m 8 0 m m 1 0 m m 的炭毡制件沉积成为 密度达1 7 4 9 c m 3 的c c 复合材料；美国t e x t r o n 公司也对此工艺进行了深入研 究，在8 h 内将d 3 3 0 m m ( 外) d 1 8 0 m m ( 内) 1 5 m m 的c c 刹车片致密到 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 均匀密度1 8 5 幽m 3 。我国的航天4 3 所和西h g q - - 业大学等单位也丌始对该项技术 的工艺过程及其原理进行了初步探讨【l 。 研究认为c l v i 快速增密的原因主要有两个方面，一方面，预制体在致密化 期间始终“浸泡在液态有机物中，即液态分子充满了预制体外测的开口孔隙内， 相当于缩短了渗透、扩散的路径；另一方面，预制体内的温度梯度引起的反应物 浓度梯度以及液态剧烈沸腾形成液态与气态反应物的循环对流均促使反应物气 体向致密化前沿快速流动、渗透、扩散，这样就使致密化速率不受反应物气体的 传输控制，大大加快了致密化进程。 与c v i 和i c 工艺相比，c l v i 工艺大大缩短了c c 复合材料的制备周期， 降低了成本，就目前情况来看，c l v i 工艺制备薄壁c c 复合材料前景诱人。 1 3 电接触与电接触材料 1 3 1 电接触技术及进展 电接触是两个导电组件因带电接触而产生的一种状态【5 0 1 。电接触是所有电 力电子线路中不可或缺的重要组成部分，其可靠性极为重要，但实践中往往只是在 出现了电接触失效问题而导致重大乃至灾难事故时方才引起人们的重视。据法国 电信科研中心计算，仅一台较大型的计算机上，就约有接触点1 0 0 力- 个。任何一 个触点发生故障，后果都可能是整个设备或系统的重大故障。近年来有关部门和 机构对通信系统中断、计算机错码、控制系统失灵、传输图像失真等一系列故障 的调查分析表明，这些事故的主要“元凶”是接触点上发生了故障。据有关文献 报道，西方在研究电子学发展的过程中，从一开始就把电接触作为电子学的一个 很重要的领域给予了高度的重视，“国际电子电气工程师学会( i e e e ) 的各学 术委员会中，排在第一号的就是“电接触技术委员会”。 由于载荷类型、大小不同，接触形式多样，环境状态各异，材料种类繁多， 因此，电接触存在极为复杂的物理、化学过程。仅电流大小的变化就由早年在数 百安培以内，发展为大至1 0 6 a ( 女 i 大功率电力电路) 及小到6 a ( 女h 某些电子电路) 。 在过去的4 0 余年中，电接触及电接触材料理论研究与工程应用有了长足的进步， 比较突出的重大进展为：微动接触腐蚀理论与工程应用：电接触表面分析与工程 应用；电接触研究中的计算机数据采集与处理；银金属氧化物触点材料设计、制 备与应用；真空环境状态中电弧与电接触基础理论与应用研究；各类新型连接器 研究与丌发；各类新型滑动接触材料及结构i 副j 。 中南人学硕士学位论文 第一章文献综述 1 3 2 电接触基础理论 ( 1 ) 电接触形式 电接触本身是一个动态过程。从空间上看，两导电组件间可分为“闭合”、“断 开 两种状态。时间上按“闭合、“断丌”发生的概率可分为如下几种形式： ( 1 ) 固定接触：其结构通常是在修理时才需要断开接触。 ( 2 ) 接插件：实现可拆电气连接。 ( 3 ) 可分合接触：“闭合 、“断开 频繁转换状态。 ( 4 ) 滑动接触：指接触组件问的平移或旋转运动实现从静止接触件到运动 接触件( 或相反) 的电能转换，是一种特殊的电接触形式，空问上只有“闭合导通 一种状态。 按接触传导时有无电弧产生，又可将电接触分为无弧电接触、有弧电接触及 滑动电接触。 ( 2 ) 形成接触电阻的机理【5 0 】 从物理意义上说，固体表面总是凹凸不平的，看来很平滑的表面从微观角度 讨论，有明显的尖峰与凹谷。当它们相互接触时，只能局限在一些微观的小接触 面上。如图1 2 所示： 产入 o 。_ _ _ - 一 、 图1 2 极平一粗糙面的电接触图1 3 电流收缩示意图 为了说明问题，图1 2 中是假设一个粗糙并附有厚度不等的表面膜平面导体， 对一个理想的极平滑的平面，当施加足够大的压力将这个接触面压紧时，首先接 触面上的最高微观尖峰在此压力下发生变形，覆盖在尖锋上的表面膜如果是脆性 的，在变形过程中可破裂。如果它是塑性的，会被挤到相邻的凹谷罩。当内外压 力平衡后，整个接触面如图所示，它的凸出接触面被表面膜分隔成更小的真正导 中南人学硕十学位论文第一章文献综述 电接触面，相当多的表面