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      一種通過壓力浸滲鋁合金制備鋁/碳基復(fù)合材料的方法與流程

      文檔序號:11582851閱讀:544來源:國知局

      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,提高自潤滑性能和使用壽命成為了世界鐵路發(fā)展重要的研究項目。

      電力機車的牽引動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械強度高和電阻率低的特點,但由于其對接觸網(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。純碳滑板自潤滑性能優(yōu)越,但強度較低,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、機械強度和運行穩(wěn)定性,并且其密度仍然較高。



      技術(shù)實現(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)良的耐磨和自潤滑性、低電阻率、低密度、結(jié)構(gòu)均勻致密、較高的機械強度和沖擊韌性等優(yōu)點。

      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,隨后在混捏機中預(yù)熱至100-140℃,將高溫瀝青加入混捏機混捏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,在氮氣氣氛下,以2-10℃/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,其軟化點為100-120℃,殘?zhí)悸蕿?0-60%wt%。調(diào)控高溫瀝青的加入量實現(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6系列g(shù)高強導(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較好的浸潤性,并且在浸滲過程中界面會形成碳化物提高鋁與碳的浸潤性,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)良耐磨和自潤滑性、低電阻率、低密度、結(jié)構(gòu)均勻致密和較高的機械強度和沖擊韌性等特點的鋁/碳基復(fù)合材料。本發(fā)明可通過調(diào)控瀝青的加入量,實現(xiàn)對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)備工藝簡單,可操作性強。

      2、本發(fā)明制備過程中,長時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濕性較好,并能夠在浸滲過程中形成化合物提高潤濕性。

      附圖說明

      圖1是本發(fā)明實施例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,實現(xiàn)鋁合金對碳基體的補強作用。

      圖3是本發(fā)明實施例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)合強度高,碳基體發(fā)生脆性斷裂。

      圖4是本發(fā)明實施例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,補強效果顯著;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,實現(xiàn)鋁合金對碳基體的補強作用。

      圖6本發(fā)明實施例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)合強度高,碳基體發(fā)生脆性斷裂。

      具體實施方式

      實施例1:

      本實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,隨后在混捏機中預(yù)熱至140℃,將高溫瀝青加入混捏機混捏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,在氮氣氣氛下,以5℃/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。

      實施例2:

      本實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,隨后在混捏機中預(yù)熱至140℃,將高溫瀝青加入混捏機混捏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,在氮氣氣氛下,以7℃/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。

      實施例3:

      本實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,隨后在混捏機中預(yù)熱至130℃,將高溫瀝青加入混捏機混捏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,在氮氣氣氛下,以2℃/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。

      實施例4:

      本實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,隨后在混捏機中預(yù)熱至130℃,將高溫瀝青加入混捏機混捏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,在氮氣氣氛下,以2℃/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。

      實施例5:

      本實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,隨后在混捏機中預(yù)熱至130℃,將高溫瀝青加入混捏機混捏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,在氮氣氣氛下,以2℃/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中的實驗數(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。

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