镀铜石墨_铜基复合材料组织与性能研究

第22卷第1期合肥工业大学学报(自然科学版)Vol.22№1 1999年2月JOURN AL OF HEFEI U NIVERSITY OF T ECH NOLOGY Feb.1999镀铜石墨-铜基复合材料组织与性能研究

王文芳 许少凡 应美芳 王成福 储道葆

摘要　通过金相、扫描电镜分析和物理性能测试等手段,对化学镀铜石墨粉-铜基复合材料的制备、组织、性能进行了研究。结果表明:在粒度4～6 m石墨表面可均匀地涂覆金属铜,在合理的压制压力和烧结温度下,复合材料的组织均匀和致密,石墨在基体中均匀弥散分布,金属铜形成细小的三维网络搭接,这种组织形态使得材料的导电性明显提高。

关键词　化学镀;电导率;组织结构

中图分类号　TB333

R ESEA RCH ON T HE CO PPER COA T IN G

GRA PHIT E-CO PPER M A T R IX COM POSIT ES

Wang W enf ang X u Shaof an Ying Meif ang W ang Chengf u Chu Daobao

(Hefei Univer sity of Techn ology)

Abstract　In this paper,by m eans of the analyses o f SEM and metallo graph and physical tests, the micr ostructure,pro perties and preparatio n of the com posite made from copper-coated gr aphite w ith copper by chemical plating hav e been studied.T he result show s that w hen the mo lding pressure and sintered temperature are optimal,the co mposite has a homo geneous structure and a high density w ith w ide-scattered graphite and three dimensional metal lattice.T his structure strikingly im pro ved electrical conductivity.

Key words　chemical plating,electrical conductivity,micro structure

石墨-铜基复合材料以其良好的导电性和耐磨性,被广泛应用于制作电刷或电触头材料。因实际工况条件原因,要求复合材料应具有高导电性、导热性、耐磨性和一定的强度,国内电碳行业产品很难同时达到上述性能要求。目前研究较多的是通过特殊工艺,在石墨表面涂覆金属,再与金属复合成石墨-金属基材料[1,2],但在有关报道中,对石墨粒度有所限制,对复合材料制作工艺和组织缺乏系统研究。为此,研究石墨-铜基复合材料的显微组织结构、石墨分布形态与性能之间的关系,以及镀铜石墨-铜基复合材料

收稿日期:1998-05-06;修改日期:1998-12-24

国家自然科学基金资助项目(编号:59771012)

王文芳:女,1958年生,硕士,合肥工业大学材料科学与工程系.邮编:230009

应美芳:女,1935年生,教授,硕士生导师,合肥工业大学材料科学与工程系.邮编:230009

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的制作工艺方法,对提高电刷、电触头等产品质量十分重要。

研究证明,其复合材料的显微组织分布最好为铜包覆石墨,使铜形成均匀连续的空间三维网络,并使石墨均匀弥散分布,然而传统的粉末冶金制备工艺难以达到这种要求。

1　实 验

1.1　试样制备

1.1.1　化学镀铜

在胶体石墨粉(粒度<4～6 m)的表面进行化学镀铜,镀液用酒石酸甲钠作络合液,甲醛作还原剂,盐酸铜作主盐,在镀液中加入一定量的石墨粉,连续搅拌并控制温度,镀铜后清洗、过滤和用远红外线干燥。石墨粉经化学镀铜后,石墨与铜的质量比为4∶3。

1.1.2材料制备

将镀铜石墨粉和铜粉同时进行还原处理,在H2气氛下,加热到320℃,保温0.5h后随炉冷却,然后分别过筛(80目)、称重和混料。各组分的重量以石墨占材料的重量百分比和材料的密度而定,计算时应考虑镀层铜的重量。

采用压模定位法进行压制,用润滑剂对模壁进行润滑,调节压制力的大小,以使材料体积密度达到要求,并在烧结时不致开裂。烧结温度(760±10)℃,保温后随炉冷却。

1.2　物理性能和显微组织分析

测定材料的电阻率、体积密度、抗折强度、硬度,用光学显微镜、扫描电镜分析材料显微组织。

2　结果讨论

2.1　复合材料显微组织

镀铜石墨粉表面涂覆状况如图1、图2所示,与未镀铜的石墨粉粒(见图3)比较,可见石墨表面被铜均匀涂覆(无论石墨粒度大小),铜微粒在石墨表面的沉积,增加了石墨颗粒的比表面和表面能,从而提

界面结合更为紧密。

高了在压制烧结时的热力学驱动力[3],使铜-铜界面的结合强度提高,

图4为镀铜石墨粉压制后的金相组织,压制后的镀铜石墨粉粒表面镀层完整并连成网状,这表明在压制力的作用下,镀层能完整保留,不致因压力作用使石墨产生切变而镀层剥裂。

如图5所示,将镀铜石墨粉与铜粉混合后压制烧结而成的石墨-铜基复合材料,其显微组织均匀、致密,与石墨-铜的组织相比较(见图6),基本消除了大块石墨聚集状况,镀铜石墨在基体中均匀分布,铜

形成三维网络,这些细小的网络搭接不仅成为电流的通道,也使得石墨更趋于细小、弥散分布,有利于提高材料的导电性、

导热性和耐磨性。

图3　石墨粉表面形貌1000× 图4　镀铜石墨粉压制后组织1500

×

图5　镀铜石墨-铜复合材料组织100× 图6　石墨-铜复合材料组织100×　

2.2　材料的物理力学性能

材料的物理力学性能见表1,表中材料成分均含石墨15%、铜85%。

表1　复合材料的物理力学性能

编号成　分密　度/(g ・cm -3)电阻率/( ・m )HR 编号成　分密　度/(g ・cm -3)电阻率/( ・m )HR 1镀铜石墨-铜 5.31120.0734655石墨-铜 5.4690.106264.52镀铜石墨-铜 5.16540.085961.56石墨-铜 5.1430.1357613镀铜石墨-铜 5.00670.0933517石墨-铜 5.1820.1190574

镀铜石墨-铜

4.9859

0.1048

59

8

国产品

5.379

0.1338

60

其性能数据表明

(1)密度对电阻率有很大的影响,随着密度提高,电阻率降低;

(2)在密度相同的条件下,镀铜石墨-铜基复合材料的导电性能优于石墨-铜基复合材料,与市售产品相比,电阻率下降45%(国产J 164产品的电阻率标准为0.05～0.15 ・m ),接近国外技术水平(美国G -43产品电阻率标准为0.05 ・m )。

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第1期 王文芳等:镀铜石墨-铜基复合材料组织与性能研究