碳纤维增强铜基复合材料

碳纤维增强铜基复合材料

姓名: 张洪敏

学号: SX1206088

专业: 材料加工工程

导师：汪涛

日期：2012年11月15日

碳纤维增强铜基复合材料

一、碳纤维增强铜基复合材料的性质及其特点

目前国内外开展金属基复合材料占主导地位的是铝基复合材料及其制品，铜基复合材料的研究虽然不占主导地位，近年来也受到了人们的极大重视。现在有许多关于碳/铜复合材料的报道，证明它又一系列的优异性能。如：可利用其低的膨胀系数和优良的导热、导电、延展性和耐磨性制作功能结构元件；大功率晶闸管支撑电极；大规模集成电路基板；电刷、触头及其他导电滑块；耐磨自润滑轴承和其他耐磨件等。但是由于铜的熔点较高，较其他熔点低的金属来说，制造过程困难，同时由于铜基体与金属基复合材料的主要增强体润湿性差，所以影响了对其的研究和开发。随着人们对界面结构认识的提高及对改善润湿性方法的采用，使铜基复合材料的开发和应用具有广泛的前景。

碳/铜复合材料除具有铜基复合材料的共同特点之外，还具有优良的高温力学性能，根据增强体的体积，可将热膨胀系数减到接近零。这种复合材料的成本比钛低，密度比钢小，且易加工，因此碳/铜复合材料受到人们的广泛关注。

碳纤维增强铜基复合材料是以铜为基体，以碳纤维为增强体的金属基复合材料。选择高强高模、高强中模及超高模量碳纤维，以一定的含量和分布方式与铜基体组成不同性能的碳/铜复合材料。

由于碳纤维具有很高的强度和模量，负的热膨胀系数以及耐磨、耐烧蚀等性能，与具有良好导热导电性的铜基组成复合材料具有很好的导热导电性、高的比强度、比模量，很小的热膨胀系数和耐磨、耐烧蚀性，是高性能的导热、导电功能材料。

二、碳纤维增强铜基复合材料的表面改性

一束碳纤维表面直接沉积铜后，经不同温度的真空热扩散，测试热扩散前后C/Cu复合材料丝的断裂强度，测定结果表明，复合丝经900℃热扩散后强度仍未降低，说明碳纤维与铜基体之间没有发生界面反应。X射线衍射结果也表明，C/Cu界面处无反应物产生。界面成分分析表明，没有发生Cu与C的互扩散及其溶解。因此，C/Cu界面不会发生化学反应，也不会有溶解现象，只是一种已机械结合为主的物理结合。

为改善界面结合特性，有人首先在高强度碳纤维表面上电沉积镍涂层，使界面形成C-Ni互扩散结合特性，然后在镍涂层上电沉积铜。最后把经过电镀的碳纤维预制件在900℃下热压实。由此生产的材料模量不高，仅为180GPa，抗拉强度为380MPa，造成这种情况的主要原因是分层、纤维分布不均匀及基体松孔。

碳纤维与铜具有良好的化学相容性，但二者的润湿性差。目前的研究，主要集中于以下两方面来改善其润湿性。

1、在基体中加入合金元素

在基体中加入适量的合金元素，通过改变基体的化学成分以降低润湿过程的自由能，促进基体与纤维润湿。

2、对碳纤维进行表面处理

用化学镀铜法，使碳纤维与铜箔产生了良好的复合，在碳纤维表面进行化学气相沉积处理后，再浸铜，得到了碳/铜复合丝，这种方法也可促进二者之间的润湿。

三、碳纤维增强铜基复合材料的制备

金属基复合材料品种繁多，多数制造过程是将复合过程与成型过程合为一体，同时完成复合与成型。由于基体金属的熔点、物理和化学性质不同，增强物的几何形状、化学、物理性质不同，应选用不同的制造工艺。现有的制造工艺有：粉末冶金法、热压法、热等静压法、挤压铸造法、共喷沉积法、液态金属浸渗法、液态金属搅拌法、反应自生法等。归纳起来可以分成几大类：固态法、液态法和自生成法及其他制备法。

目前国内制备碳纤维增强铜基复合材料比较成熟的方法是粉末冶金法。即通过配料、混料、压制、烧结来制造碳纤维增强铜基复合材料。不过这种方法也存在着一定的问题，比如复合材料的性能会受到多种因素的影响，如压制压力、烧结温度和保温时间以及复压、复烧次数等，此外还存在生产效率低、生产工艺复杂等不足，一般只适用于制备纤维含量较低的短碳纤维/铜复合材料。

将得到的镀铜短碳纤维进行冷压烧结，压力为400MPa，温度为850℃（氢气气氛），时间3h。复压压力为600MPa，复烧温度为850℃（氢气气氛），复烧时间3h。以上工艺较为简便易行，但是，冷压烧结法只适用于制造碳纤维含量低的短碳纤维/铜复合材料。

四、碳纤维增强铜基复合材料的应用

由以上总结可以得出，碳纤维/铜复合材料综合了铜的良好导电、导热性以及碳纤维的高比强度和比模量、低得热膨胀系数及良好的润湿性，使其呈现出良好的传导性、耐磨性、耐高温性、耐电弧烧蚀性、抗熔焊性和抗老化等一系列优点，现作为一种功能材料已被广泛用作电子元件材料、滑动材料、触头材料、热交换材料、引线框架材料等，用于制造电刷、轴瓦、滑块、触点、集成电路散热板、轨道交通受电弓滑板及火箭发动机零件等机电零部件。主要用于大电流电器、电刷、电触头和集成电路的封装零件。用碳/铜复合材料制成的惯性电机电刷工作电流密度可高达500A/cm2。碳/铜复合材料热膨胀系数为6×10-6℃-1，导热系数为220W/(m·K)，高于任何低热膨胀系数材料。在高集成度的电子器件中有很好的应用前景。

由于这类材料的可设计性好，可以通过控制碳纤维含量及分布来获得不同的性能指标，在制备工艺上相对于碳/铝、石墨/镁而言简便易行，是一类很有应用前景的新型功能材料。随着研究的深入，相信碳纤维增强铜基复合材料将在航空航天、能源、电气化铁路、城市地铁、汽车、通讯等领域得到更为广泛的应用。