一種納米碳增強的耐磨復合材料的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及材料技術領域，尤其是涉及金屬基耐磨材料領域，具體涉及一種納米碳材料增強的耐磨復合材料。
【背景技術】
[0002]耐磨材料，是新材料領域的核心，對高新技術的發展起著重要的推動和支撐作用，在全球新材料研究領域中，耐磨材料約占85%。同時，耐磨材料是以車輛為代表的交通工具中最關鍵的安全零件之一，對制動效果的起決定性作用。現有的常規制動材料，如半金屬基合成材料、銅基/鐵基耐磨材料等，無論是摩擦系數和運行平穩性，還是導熱性、耐磨性等方面均有較大的提升空間。
[0003]碳納米管，于1991年被日本科學家發現。管壁上每個碳原子間通過有“最強化學鍵”之稱的sp2雜貨軌道相結合。碳納米管的抗拉強度達到50?200GPa，是鋼的100倍，比常規石墨纖維高一個數量級;碳納米管的比重只有鋼的1/6;碳納米管的導熱系數約為6000W/(m.K)，與金剛石相當，是銅的14倍，氧化鋁的160倍。
[0004]現有技術中的耐磨材料通常是摻入石墨，但其材料的實際能達到的電阻率、抗壓強度還有提升的空間。
【發明內容】
[0005]本發明要解決的現有技術是提供一種納米碳增強的耐磨復合材料，通過在配方中引入納米碳材料，達到導熱性、強度、硬度和耐磨性明顯提升的新型耐磨復合材料。
[0006]為解決上述技術問題，本發明第一方面提供一種納米碳增強的耐磨復合材料，其按質量百分比包括，金屬粉55?99%，陶瓷粉0.1?35%，納米碳0.01?15%。
[0007]優選地，納米碳增強的耐磨復合材料，其按質量百分比包括，金屬粉60?99%，陶瓷粉0.1?35%，碳納米管0.01?10%。
[0008]優選地，納米碳增強的耐磨復合材料，其按質量百分比包括，金屬粉62?95%，陶瓷粉1?35%，碳納米管0.1?8.0%。
[0009]優選地，納米碳增強的耐磨復合材料，其按質量百分比包括，金屬粉65?95%，陶瓷粉4?35%，碳納米管0.5?4.0%。
[0010]優選地，納米碳增強的耐磨復合材料，其按質量百分比包括，金屬粉65?95%，陶瓷粉4?35%，碳納米管0.5?3.0%。；更優選地，納米碳增強的耐磨復合材料，其按質量百分比包括，金屬粉63?95%，陶瓷粉4?35%，碳納米管0.1?2.0%。
[0011]本發明一優選技術方案中，所述的金屬粉選自銅粉、鐵粉、鈦粉、鎳粉、錫粉、鋅粉、鋁粉、錳粉、鉻粉中的一種或幾種混合;所述的金屬粉優選選自銅粉、鐵粉、錳粉、鉻粉中的一種或其混合;所述的金屬粉的粒徑為0.1?500微米。
[0012]本發明一優選技術方案中，所述的陶瓷粉選自碳化物、氮化物、硫化物、硼化物、氧化物中一種或兩種以上的任意比例混合物，優選選自碳化物、氮化物、硫化物，所述的陶瓷粉的粒徑為0.05?300微米。
[0013]所述碳化物選自碳化硅、碳化硼等碳化物或其混合;所述氮化物選自氮化硅、氮化硼等氮化物或其混合;所述硫化物選自硫化銻、硫化鉬等硫化物或其混合;所述硼化物選自硼化鋯、硼化鋁等硼化物或其混合;所述氧化物選自氧化鋁，二氧化硅等氧化物或其混合。
[0014]本發明一優選技術方案中，上述碳納米管選自單壁碳納米管、多壁碳納米管中的一種或兩種的任意比例混合物，以粉末的形式加入，所述碳納米管的外徑為10?120納米，長度1?10微米。
[0015]本發明的第二方面提供一種納米碳增強的耐磨復合材料的制備方法，其包括如下步驟:
[0016]1)取碳納米管、陶瓷粉，75°C_90°C烘干待用；
[0017]2)在潔凈的混合機中依次投入碳納米管、金屬粉，混合均勻后，再投入陶瓷粉繼續混合至均勻；
[0018]3)從混合均勻的粉料中取適量放入圓片狀成型模具中，并通過常溫冷壓成型方式壓制成生坯；
[0019]4)將冷壓成型的生坯放入燒結爐中，在惰性保護氣氛下進行燒結，燒結過程中，在垂直方向持續施加壓力，并保持到燒結后冷卻結束；
[0020]5)燒結完成后材料在保護氣氛和持續壓力作用下隨爐自然冷卻，燒結爐溫度降至100°C以下后，開爐，卸壓，取料。
[0021]本發明提供的耐磨復合材料，通過以金屬粉末為基體;配方中陶瓷粉作為耐磨填充材料，用于提高金屬基體的摩擦系數;納米碳主要用于提高復合材料的導熱性能、強度、韌性及耐磨性能。
[0022]本發明在金屬與陶瓷復合的基體材料中引入碳納米管，在基體中形成三維導熱網絡結構。在復合材料的成型過程中，一方面，碳納米管可提高復合材料整體溫度的均勻性，減少成型過程產生的殘余應力，降低殘余應力對材料屈服極限、疲勞壽命、抗變形性能等方面的影響，延長使用壽命；另一方面，碳納米管對于金屬的變形可起到釘扎位錯的作用，同時碳納米管表面大量的結構缺陷可作為晶核存在，從而阻止在燒結過程形成大尺寸晶粒，即通過晶粒細化作用，提高基體材料的強度、韌性、耐磨性等性能。
[0023]在復合材料的使用過程中，碳納米管可提尚材料導熱性能，有效提尚耐磨材料的整體溫度均勻性，并降低其表面溫度，達到升熱、不升溫的效果。從而使耐磨材料在各種使用環境，尤其在重載、高速、長時間制動時，仍能輸出穩定的摩擦系數，同時降低磨損，延長使用壽命。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發明實施例1制備碳納米管增強銅基耐磨材料所用的多壁碳納米管
[0025]圖2為本發明實施例1制備碳納米管增強銅基耐磨材料的原料混合效果
[0026]圖3為本發明實施例1制備碳納米管增強銅基耐磨材料的碳納米管CNT含量與材料摩擦系數、磨損率、硬度的關系。
【具體實施方式】
[0027]以下結合附圖描述本發明【具體實施方式】。
[0028]實施例1
[0029]本實施例中涉及的納米碳增強的耐磨復合材料，其成分包括:銅基體，粒徑為5?10微米；陶瓷粉為碳化娃和二硫化鉬，粒徑為300納米為到3微米；納米碳選擇多壁碳納米管，其外徑為50?80納米，長度為3?5微米。復合材料配方按重量比計，包括銅粉75%、碳化硅10%、二硫化鉬12%、碳納米管3%。為對比CNT應用效果，本實施例用相同重量的1000目片狀石墨粉(粒徑約13um)，替代碳納米管，在相同條件下制備對比樣品。具體制備方法如下:
[0030]1)將碳納米管、碳化硅、二硫化鉬等組分的粉料在85°C烘干，待用；
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