[发明专利]一种自润滑耐磨铜基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种自润滑耐磨铜基复合材料及其制备方法，具有良好的力学、热学和耐磨性能，同时具有可调节的摩擦系数，属于耐磨材料、电子封装材料、导热材料领域。

背景技术

铜及其合金材料作为一种高导电、高导热的材料，在机械系统中具有广泛的应用。但是随着现代航空航天、高速列车、汽车以及先进武器系统等的迅速发展，其力学性能差、易磨损等不足严重限制了该材料在苛刻条件下的应用。陶瓷相增强铜基复合材料(CMMCs)是以陶瓷(颗粒、短纤维、连续长纤维)为增强相，以铜及其合金为基体制备的一种兼具金属与非金属的综合性能的复合材料。通常的，CMMCs具有比Cu或Cu合金更高的强度、硬度和弹性模量，并且具有更加优异的耐磨性能、更好的耐腐蚀性、更低的密度和热膨胀系数，克服了传统金属材料在高速、高载荷等苛刻条件下的应用局限，因而成为了高技术材料研发的热点领域。β-Si₃N₄晶须增强铜基复合材料是以β-Si₃N₄晶须为增强相，以铜及其合金为基体制备的一种兼具金属铜(合金)与β-Si₃N₄晶须的综合性能的复合材料。该类材料具有强度高、硬度大、耐磨性好、热膨胀系数小、密度低等优点，因而受到研究者的广泛关注。

作为一种优异的耐磨材料，β-Si₃N₄晶须增强铜基复合材料可被用于制备蜗轮、闸片、活塞以及其他多种精密部件。在实际应用中，通常需要添加润滑油或者润滑脂等，对系统的摩擦系数进行调节，以达到减磨的效果。但是，在一些精密系统中，外加润滑剂可能会对系统造成污染，降低系统运行精度；而在一些密闭系统中，初始的润滑剂快速消耗，而后续外加润滑剂难以添加，导致器件在无润滑条件下快速磨损。在这些特殊条件下，自润滑材料具有独特的优越性。当复合材料内部含有固体润滑介质，滑动摩擦过程中，由于摩擦热及挤压变形的共同作用，嵌入形态的固体润滑介质颗粒被挤出，并在摩擦副表面展开形成固体润滑膜，固体润滑膜的剪切强度较低，由存在表面膜的金属粘附理论可知，固体润滑膜的存在可显著降低摩擦副的摩擦系数。

本发明利用选用石墨(或者氮化硼、碳粉等)为润滑剂，以β-Si₃N₄晶须为增强体，Cu或Cu合金为基体制备了自润滑耐磨铜基复合材料，通过调节材料内部润滑剂含量、增强相含量等，对材料的摩擦磨损性能进行优化，提高了材料的耐磨性，同时实现了材料摩擦系数的有效调节。该材料可广泛应用于制备各种耐磨部件。

申请号为2010105417732的专利申请中提及了“一种高强耐磨自润滑铜基复合材料”，但该材料所采用的碳化硅粉体为纳米级，成本较高，难于广泛应用。申请号为2004100139044的专利申请中提及了“一种铜基高温自润滑复合材料”，但该材料采用碳纤维作为增强相，因碳纤维具有较大长径比，难以在基体中均匀分散，并且所制备的复合材料其各向同性较差。申请号为2005100409508的专利申请中提及了“一种无铅铜基高温自润滑复合材料”，但该材料采用增强相为陶瓷颗粒，这种几何形态的陶瓷增强相在摩擦过程中容易剥离，造成增强效率下降。

因此，如何制备一种性能优异的自润滑耐磨铜基复合材料，仍然是本领域技术人员的研究方向之一。

发明内容

本发明旨在克服现有自润滑耐磨铜基复合材料的缺陷，本发明提供了一种自润滑耐磨铜基复合材料及其制备方法。

本发明提供了一种自润滑耐磨铜基复合材料，所述自润滑耐磨铜基复合材料包括体积分数为1-30％的Si₃N₄晶须作为增强相、体积分数为0.5-15％的润滑剂以及体积分数为55-98.5％的铜或铜合金，其中，上述三种组成的体积分数之和为100％，所述润滑剂包括石墨粉、氮化硼和/或碳粉。

本发明的自润滑耐磨铜基复合材料的摩擦系数和磨损率，低于不含有石墨的以Si₃N₄晶须作为增强相铜基复合材料。

又，本发明还提供了一种上述自润滑耐磨铜基复合材料的制备方法，所述制备方法包括：

将体积分数为1-30％的Si₃N₄晶须、体积分数为0.5-15％的润滑剂以及体积分数为55-98.5％的铜粉或铜合金粉，均匀混合后，采用热压烧结或无压烧结，制备得到所述自润滑耐磨铜基复合材料。