碳纤维增强铜基复合材料的最新研究进展和应用_苏青青

碳纤维增强铜基复合材料的最新研究进展和应用3

苏青青,李微微,刘　磊,沈　彬

(上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海200240)

摘要 碳纤维增强铜基复合材料是一种极具发展前途的金属基复合材料。介绍了碳纤维增强铜基复合材料的制备工艺,总结概述了目前短碳纤维增强铜基复合材料的物理力学性能研究进展及其在航空航天、汽车、电子方面的应用现状和前景。探讨分析了碳纤维增强铜基复合材料的研究开发趋向,对碳纤维增强铜基复合材料的研究开发和实际应用具有一定的指导意义。

关键词

碳纤维增强铜基复合材料　研究进展　应用Application and Progress in Development of the C arbon Fiber

R einforced Copper Matrix Composites

SU Qingqing ,L I Weiwei ,L IU Lei ,SH EN Bin

(State Key Laboratory of Metal Matrix Composites ,Shanghai Jiao Tong University ,Shanghai 200240)Abstract Carbon fiber reinforced copper matrix composites is a kind of metal matrix composites with a great potential for the development.A review on the preparation technology and the progress in the study of the physical and mechanical performance (including strength ,hardness ,thermal conductivity ,f riction and wear properties )are presented ,as well as the application in fields of aerospace ,automotive ,electronics ,etc.of the carbon fiber reinforced copper matrix composites.On the basis of the research situation ,a f uture development view is prospected.

K ey w ords carbon fiber reinforced copper matrix composites ,research and development ,application

　3国家863项目(2007AA03Z546)

　苏青青:1985年生,硕士研究生　沈彬:通讯作者,教授　E 2mail :bshen @

0　引言

碳纤维增强铜基复合材料以其优异的导电、导热、减摩和耐磨性能以及较低的热膨胀系数而广泛应用于航空航天、机械和电子等领域

[1-5]

。正是由于这种材料优异的性能以及

在应用方面的优势,国内外对于碳纤维增强铜基复合材料的研究一直没有间断过。从20世纪70年代末开始,国内有关研究机构和高等院校就相继展开了C/Cu 复合材料的试验研究,并取得了重要进展

[6]

。本文从碳纤维表面处理、制备工

艺、力学性能、物理性能及应用方面对近几年的研究、开发和应用工作进行了总结,以期对碳纤维增强铜基复合材料的研究开发和实际应用提供参考和指导。

1　碳纤维/铜复合材料的制备工艺研究进展

复合材料的界面强度对其性能有直接的影响,合适的界面强度不仅有助于提高材料的整体性能,还便于将基体所承受的载荷通过界面传递给纤维,充分发挥其增强作用[7,8]。由于碳纤维与铜基体的润湿性不好,若直接复合,C/Cu 界面只能通过机械互锁联在一起,致使界面结合强度低,在承受载荷时,易发生碳纤维增强体的拔出、剥离或者脱落,严重限制了复合材料的发展与应用[4]。为了解决这一问题,目前多采用化学镀和电镀法等改善C/Cu 界面的结合情况[9]。在此方面,天津大学的王玉林等、合肥工业大学的凤仪等以及上海交通大学的胡文彬等都做了大量工作,通过对工艺的不断研究和优化,可以制备出镀层连续、均匀且无黑心现象的复合丝[10,11]。

根据制备复合材料时铜基体的状态区分,制备碳纤维增强铜基复合材料的工艺和方法可分为固态法和液态法[12-14]。

1.1　固态法

固态法[5,12-14]是指Cu 基体处于固态下的加工方法,这样可以避免铜与碳纤维之间的界面反应,如热压法、粉末冶金法。

热压法是制备碳纤维复合强化材料的传统工艺方法,其实质是一种扩散焊合法。在一定温度、压力下,把经过表面处理的碳纤维与铜箔层进行热压扩散促使碳铜复合,可制得致密、孔洞少、纤维分布均匀的复合材料。相对于粉末冶金法,热压法对纤维的损伤小,制得的材料性能较佳,但制成的材料易发生基体铜偏聚一边的现象。若采用预氧化法使镀铜层氧化形成一层不易塑变的氧化亚铜,在随后的热压工序中通过氢气将其还原,可以减轻偏聚,但同时也会带来氧化亚铜在高温下对碳纤维的损伤[15]。因此,如何解决碳纤维偏聚问题尚有工作要做。

粉末冶金法是制备短碳纤/铜基复合材料的一种普遍方法。其中,冷压烧结粉末冶金法只适合制备碳纤维含量较低的碳2铜复合材料。而采用加压烧结则能制出纤维体积含量较高、界面结合适当、纤维均匀分布的碳/铜复合材料。然而,用粉末冶金法制备碳纤维/铜基复合材料时,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纤维/铜复合材料。

1.2　液态法

液态法[5,16]是指Cu基体在熔融状态下与碳纤维进行复合的一种加工方法,如液相浸渍法和挤压铸造法。

与固相法相比,使用液相浸渍法很少会因为外力作用对碳纤维造成损伤。此外,它还具有工艺简单、成本较低、产量高和能制备出尺寸精确的零件等特点,不足的是需要严格控制生产过程中的工艺参数,对设备的强度要求高[16]。该方法的难点是如何提高液体金属对纤维的浸润及界面的稳定性。目前已有一些方法可以改善上述问题,但是要想获得理想的复合材料综合性能还存在大量的问题有待解决。

挤压铸造法制备碳纤维/铜复合材料,国外已有相关报道,此法的关键在于液相渗透过程对工艺参数的控制(预制件温度、融体温度、浸渗压力及冷却速度)。罗守靖[17]、姚佳岩[18]等在此方面都有所研究。相比前几种方法,挤压铸造法制备碳纤维/铜基复合材料具有工艺参数易于控制、性能稳定、制备成本低等优点;缺点是纤维体积含量难以控制,易造成碳纤维的偏聚,高压作用下造成很大的应力集中,纤维与纤维界面脆性接触,裂纹易迅速扩展造成低应力破坏[19,20]。

2　碳纤维/铜复合材料的性能研究进展

碳纤维增强铜基复合材料作为一种新型功能材料,其性能不仅受到碳纤维增强体形状、体积分数等因素的影响,还与制备工艺密切相关。当前对其性能的研究主要集中在抗拉强度、弯曲强度、显微硬度、导热及摩擦磨损性能等方面,并取得了很多成果。本文概述了碳纤维/铜复合材料优异的性能特点、制备工艺和结构特点对性能的影响关系。

2.1　力学性能

碳纤维增强铜基复合材料的抗弯强度与表面处理工艺、烧结工艺及碳纤维的体积分数有关。由于化学镀和电镀工艺制成的复合材料界面强度不同,导致2种复合材料具有不一样的抗弯强度。分别采用复压烧结、冷压烧结、复压复烧和热压烧结4种烧结工艺制备相同短碳纤维体积含量的铜基复合材料,对应的复合材料的抗弯强度呈依次递减态[11]。在纤维体积分数与抗弯强度的关系方面,唐谊平等[11]指出,采用连续电镀工艺所得的样品,其抗弯强度随着纤维含量的增加而增大,但增大的幅度呈递减趋势;而徐金城等[21]对采用化学镀与电镀混合工艺所制得的复合材料样品进行测试,发现随着碳含量的增加,材料的三点弯曲强度先增大后减小。

由于碳纤维的抗拉强度远高于纯铜,对于复合材料的拉伸强度,复合材料的抗拉强度应与短碳纤维的体积含量成正比[22]。然而,凤仪等[23,24]指出,随碳纤维含量的增加,复合材料的拉伸强度下降,分析原因认为在外力作用下,纤维端头与基体的界面处存在最大剪切应力[25],由于碳纤维端头不存在铜镀层,与铜基体间形成弱界面结合,使材料在弯曲试验中首先发生碳纤维端头处与基体的脱粘。复合材料中碳纤维体积分数越高,这样的弱界面就越多,脱粘现象则越严重,从而降低了复合材料的强度,限制了碳纤维增强铜基复合材料进一步的发展与应用[22]。

S.Ochiai等[15,23,26,27]提出,拉伸强度的下降是由C/Cu 界面间的机械结合方式导致的界面脱离引起的。为了更好地解决界面问题,近年来开展了在铜基体中加入Ni、Fe、Sn 元素,采用连续三步电沉积后真空热压法,制成具有纤维增强相的铜合金基体复合材料的研究工作[15]。实验证明,加入合金元素能够显著改善复合材料的性能[26]。热压后的C/Cu (Fe)复合材料的界面结合强度最高(73.7MPa),与C/Cu(无中间层)的界面结合强度(40.7MPa)相比有了很大的提高[15]。

2.2　物理性能

在显微硬度的研究方面,唐谊平等[11,21,27,28]通过大量的实验得出随着碳纤维体积分数的增加复合材料的硬度值先增大后减小的结论。复合材料的显微硬度值也与碳纤维长度有关:当碳纤维的体积分数低于10%时,长度为1mm的铜基复合材料的显微硬度比长度为1～2mm的增强体复合材料的显微硬度高。张国定等[29]解释为:纤维在基体中分布不均匀会产生微区力学性能的不均匀性,从而导致材料易发生低应力破坏;增大短碳纤维长度相当于缩短了碳纤维之间的间距,增加了纤维分布的不均匀性,从而加剧了微区力学性能的不均匀性;当材料受载时,这些区域首先发生开裂,而此时复合材料的承载能力还未完全发挥出来。

导热率用于衡量复合材料的导热性能。复合材料沿着纤维方向的导热率与纤维体积分数的关系可用式(1)描述:

k c=k m

v f

(1)

式中:k c为复合材料的导热率;k m为基体的导热率;v f为纤维的体积分数。

式(1)指出,短碳纤维的加入对基体铜的导热性能具有削减作用。近年来对短碳纤维的分布与复合材料导热性的关系的研究结论是:(1)碳纤维含量的增加会降低复合材料的导热率[11,21]。由于碳纤维热量的传递依靠晶格振动(晶格振动波的能量是声子),铜的导热主要依靠自由电子,且自由电子的导热能力远高于声子,因此随着碳纤维含量的增加,声子对导热性能的增强作用不及自由电子减少对导热性能的削减作用,于是复合材料整体导热能力下降[29]。此外,复合材料内部界面的增加也加剧了对自由电子和声子的散射,进一步降低了材料的导热性能。(2)碳纤维长度的增加会增大复合材料的导热率。陶宁等[30]解释为:沿纤维方向的导热能力与垂直于纤维方向的导热能力相差数倍。增加碳纤维的长度,可以使沿纤维方向的导热能力得到充分发挥,抵消