纖維狀態對碳纖維-銅基復合材料性能的影響

鐘濤生， 李小紅， 王燕齊

(江西理工大學，江西贛州 341000)

引 言

碳纖維-銅基復合材料是以金屬銅為基體，碳纖維為增強體，通過液相浸漬、熱壓、擴散粘結、擠壓鑄造和冷壓-燒結等技術制備而成的一種復合材料［1-2］。因集成了碳纖維低密度高強度、低電阻高熱導率、耐摩擦低磨損及負熱膨脹系數等性能優勢［3-4］和金屬銅的高導電導熱性及良好的延展性等特性，所以碳纖維-銅基復合材料不僅具有良好的導電導熱、低的熱膨脹系數及尺寸穩定性等物理特性［5］，還有低摩擦磨損、高比強度比模量等機械性能［6-7］。眾多的性能特點決定了該復合材料在電機的電刷、焊機導電咀、電氣化列車上的受電弓滑板、高集成電路基板和封裝管等方面具有廣闊的應用前景。該復合材料還有一個典型的特點是具有良好的性能設計性，可以通過改變復合原材料的配比、增強體的尺寸和碳纖維的表面狀況等因素來改變復合材料的性能［8］。盡管在理論上可對碳纖維-銅基復合材料進行性能設計，但是由于上述各因素對該復合材料性能影響規律缺乏，導致在研究與制備過程存在較大的盲目性。本論文采用冷壓、燒結法研究碳纖維的含量、尺寸和表面狀況等狀態因素對碳纖維-銅基復合材料性能的影響，以期對后續的研究奠定理論基礎。

1 實驗方法

1)碳纖維材料。每束碳纖維含1000根單纖維絲，纖維絲的d約為10μm(蘭州金碳碳纖維新材料研究所)，Cu 粉粒度為 75μm，w(氧)≤0.05%(天津市科密歐化學試劑有限公司，分析純)。

2)碳纖維鍍液。鍍銅溶液組成，180g/L硫酸銅，60g/L 硫酸，80g/L 氯化銅，0.35mL/L 聚二硫二丙酸鈉。鍍鎳溶液組成，300g/L硫酸鎳，40g/L氯化鎳，30g/L硼酸。在自制的電鍍池中于25℃條件下對碳纖維表面進行鍍銅和鍍鎳。電鍍工藝參數均為 Jκ=2.5A/dm2，t=2min。電鍍后進行清洗干燥。

3)壓制成型。采用自制的冷壓成型模具(如圖1所示)在萬能力學性能試驗機上，以250MPa的壓力和55s保壓時間將混合原料壓制成［d 20mm×(20mm～25mm)］圓柱體狀的復合材料坯體。

4)坯體燒結。將壓制好的坯體埋伏在碳粉中，置于箱式電阻爐中800℃真空燒結30min。

圖1 冷壓成型模具

2 實驗結果及分析

2.1 纖維含量對碳纖維-銅基復合材料性能的影響

以長度為3mm的碳纖維和還原Cu粉為原料，用電子天平稱量5組碳纖維與Cu粉的質量比各不相同的原料，用酒精做分散劑在燒杯中將各組碳纖維充分分散之后，把稱量好的Cu粉加入相應的燒杯中，用玻璃棒長時間攪拌至充分混合均勻，每次將一組混合料全部加入預先裝好了下凸模(如圖1所示)壓制模具的凹模中并靜置約30s，待酒精從凹模和下凸模的縫隙中充分流出后，再施加壓力進行圓柱體坯樣壓制。將坯樣燒結制得碳纖維-銅基復合材料后，分別測量該材料的強度和耐磨性能，同時采用線切割→鑲嵌→打磨→拋光→反向鑲嵌→反向打磨→反向拋光的工序制得試樣，測量密度、強度、耐磨性和電阻率，結果如圖2和圖3所示。

圖2 w(碳纖維)與密度、強度關系曲線

圖3 w(碳纖維)與磨損量、電阻率關系曲線

由圖2可以發現，碳纖維-銅基復合材料燒結前后的密度隨著碳纖維質量分數的增加不斷下降，碳纖維質量分數小于3.5%時，下降速度緩慢，碳纖維質量分數超過3.5%時，密度隨碳纖維質量分數增加而下降的速度很快。碳纖維-銅基復合材料的強度隨著碳纖維質量分數的增加先上升后下降。由圖3可知，碳纖維-銅基復合材料的磨損量隨著碳纖維質量分數的增加先下降后上升;電阻率隨著碳纖維質量分數的不斷增加而上升，上升速度逐漸加快。碳纖維作為一種低密度的成分，具有較大的體積效應，即小質量分數會表現很大的體積分數，另外碳纖維作為高剛度的增強相，它在壓制過程中發生的彈性變形會使復合內部積聚彈性內應力，脫模后和燒結時會由于彈性內應力的釋放而發生彈性后效。較大的體積效應和彈性后效會導致復合材料結構疏松，孔隙率增加，使得復合材料的導電性、強度、密度和抗摩擦性能下降。復合材料燒結過程發生體積擴散和潤濕擴散，會使復合材料變得密實，孔隙率下降，表現出材料的電阻率下降，密度、強度和抗磨損性能上升。當碳纖維質量分數較低時，燒結致密化比例會大于彈性后效的比例，所以在碳纖維質量分數小于3.5%時，機械性能不斷提高。另外，因為碳纖維是一種高強度、低摩擦系數的增強相，其質量分數增加有利于提高復合材料的強度和耐磨性。但是當碳纖維質量分數約為3.5%時，燒結致密化比例會小于彈性后效的比例，使得各種性能變差。

碳纖維-銅基復合材料的表面形貌如圖4所示。由圖4可以發現，圖4(a)中的碳纖維質量分數明顯較圖4(b)中的要高，而且圖4(a)中的結構也明顯較圖4(b)的結構疏松。另外復合材料密度隨碳纖維質量分數的增加而減小是由于碳纖維的低密度和復合材料的性能服從混合定律所造成的。

圖4 碳纖維-銅基復合材料的表面形貌照片

2.2 纖維長度對碳纖維-銅基復合材料性能的影響

采用碳纖維和還原Cu粉配備5組碳纖維質量分數為3%纖維長度不同的原料。然后按照2.1的過程進行混料、裝料、壓制和燒結。燒結前后測試復合材料的密度、強度、耐磨性和電阻率，結果如圖5和圖6所示。

圖5 碳纖維長度與密度、強度關系曲線

圖6 碳纖維長度與磨損量、電阻率關系曲線

由圖5和圖6可以發現，隨著碳纖維長度的不斷增加，碳纖維-銅基復合材料的強度先上升后下降，而密度、耐磨性和導電性能卻一直隨著纖維長度的增加而不斷下降。2.1中已經提及，碳纖維是一種高剛度的增強相，在壓制成形過程中會發生彈性變形而積聚彈性內應力，內應力的后續釋放會影響復合材料的密度和各組成相界面之間的結合狀況，進而影響復合材料的其它各項性能。由于碳纖維的剛度較大，在壓制成型過程會以Cu粉顆粒為作力點和支點發生三點彎曲或者多點彈性彎曲變形。碳纖維尺寸越長，單根碳纖維上參與多點彎曲的Cu粉顆粒數目越多，而且彈性變形程度越嚴重，聚積的內應力也越大，脫模后和燒結過程發生的彈性后效越大。使碳纖維-銅基復合材料內部結構疏松和孔隙率增高，表現為密度和導電性能隨碳纖維長度增加而下降(如圖5中的B、C曲線和圖6中的B曲線)。彈性后效還會使基體和增強體之間的界面結合狀況變差。高孔隙率且界面結合不良的碳纖維-銅基復合材料表現出較差的力學性能，所以碳纖維長度增加，復合材料的強度和耐磨性會下降(如圖5中A曲線的后半段和圖6中的A曲線)。影響強度的因素不僅僅是致密性和界面結構，還和增強體的長度有關。碳纖維越長，其連續性越好，受外力作用時碳纖維之間的協調作用越好，所以在一定范圍內，碳纖維越長，復合材料的強度越高(如圖5中A曲線的前半段)。

2.3 電鍍對碳纖維-銅基復合材料性能的影響

按照實驗方法中電鍍溶液配方對碳纖維進行鍍鎳和鍍銅，清洗和干燥后切成長度為3mm的短纖維，按2.1的工藝參數制備碳纖維質量分數各不相同的3種復合材料，再進行性能測試，如圖7和圖8所示。

圖7 電鍍對碳纖維含量與強度、密度關系曲線

圖8 電鍍對碳纖維含量與磨損量、電阻率關系曲線

由圖7和圖8可以看出，對于任意一種碳纖維質量分數的碳纖維-銅基復合材料，不論在物理性能還是在機械性能方面，經過電鍍預處理的性能明顯優于未電鍍處理的。說明碳纖維電鍍金屬預處理可以改善碳纖維與銅基體之間的界面結構，提高材料的各種性能。圖9為鍍鎳碳纖維-銅基復合材料的表面形貌。

圖9 鍍鎳的碳纖維-銅基復合材料的表面形貌照片

通過對比圖4和圖9可以發現，圖4中表面出現較多的碳纖維屑，且界面結構較粗糙，而圖9中的碳纖維屑較少，界面結構較光滑。由此可知，碳纖維未預先電鍍的復合材料中碳纖維和基體之間的結合狀況較差，而圖9中碳纖維預先電鍍鎳的兩相之間界面結合良好。從微觀角度上對比鍍銅和鍍鎳兩種碳纖維的復合材料可以發現，除了導電性能之外，碳纖維鍍鎳復合材料的其它性能略優于碳纖維鍍銅復合材料。

3 結論

1)碳纖維質量分數對碳纖維-銅基復合材料的各種性能都有一定的影響，密度和導電性能隨著碳纖維質量分數的增加不斷下降，而強度和耐磨性卻隨著碳纖維質量分數的增加先上升后下降。碳纖維質量分數在3% ～4.5%之間的碳纖維-銅基復合材料具有較好的綜合性能。

2)碳纖維長度對碳纖維-銅基復合材料各項性能的影響趨勢，隨著碳纖維長度的增加，密度、導電性和耐磨性等會由于孔隙率的升高和界面結構變差而下降，強度卻隨著碳纖維長度的增加而先上升后下降。

3)對碳纖維預先電鍍金屬處理可以改善碳纖維-銅基復合材料的性能，而且碳纖維鍍銅處理對復合材料導電性能的影響優于鍍鎳處理，但是機械性能卻相反。

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