淺析石墨模具復(fù)合材料的性能及應(yīng)用

　　石墨模具復(fù)合材料的性能及應(yīng)用銅-石墨復(fù)合材料即具有銅基體的高強(qiáng)度，導(dǎo)熱快，導(dǎo)電性好，而電弧燒灼等優(yōu)異性能，又具有石墨的潤(rùn)滑性能好尤其是高溫潤(rùn)滑性好等特點(diǎn)，其綜合性能優(yōu)良，是制備現(xiàn)代自潤(rùn)滑摩擦零部件，電接觸到點(diǎn)零部件的理想材料（石墨制品）。需求領(lǐng)域非常廣泛，遍布于機(jī)械傳動(dòng)，交通，軍事，航空航天等需要進(jìn)行減磨，導(dǎo)電的領(lǐng)域。銅-石墨復(fù)合材料有代表行的特色鮮明的應(yīng)用，主要是在自潤(rùn)滑摩擦于電接觸導(dǎo)電功能同事需要的電刷，受電弓滑板等方面。


　　復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上具有不同物理、化學(xué)性質(zhì)的材料，以微觀、細(xì)觀或宏觀等不同的結(jié)構(gòu)尺度與層次，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的空間組合而形成的一個(gè)材料系統(tǒng)。復(fù)合材料的物理、力學(xué)性能與界面性質(zhì)密切相關(guān)。C/Cu復(fù)合材料尤其如此。自C/Cu復(fù)合材料問(wèn)世以來(lái)，Cu基體與碳增強(qiáng)體的界面就成為關(guān)注的焦點(diǎn)。希望Cu與碳增強(qiáng)體有良好的相容性。高溫下，液態(tài)銅與碳增強(qiáng)體既不潤(rùn)濕也不發(fā)生反應(yīng)。即使在1285℃下，銅與碳也不潤(rùn)濕。這就使制備的C/Cu復(fù)合材料的界面只能是機(jī)械互鎖，結(jié)合強(qiáng)度低。當(dāng)承受載荷時(shí)，往往造成碳增強(qiáng)體的拔出、剝離或脫落。為了制備具有優(yōu)良的物理、力學(xué)性能的C/Cu復(fù)合材料，關(guān)鍵是改善銅基體與碳增強(qiáng)體的潤(rùn)濕性。

　　金屬基復(fù)合材料是包括顆粒、晶須、纖維增強(qiáng)金屬基體的復(fù)合材料。金屬基復(fù)合材料兼具金屬與非金屬的綜合性能，材料的強(qiáng)韌性、耐磨性、耐熱性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性及耐候性能適應(yīng)廣泛的工程要求，且比強(qiáng)度、比模量及耐熱性超過(guò)基體金屬，對(duì)航空航天等尖端領(lǐng)域的發(fā)展具有重要作用。在該類(lèi)材料中，所用基體金屬包括輕合金(鋁、鎂)、高溫合金與金屬間化合物，以及鋼、銅、鋅、鉛等；增強(qiáng)纖維包括碳(石墨)、碳化硅、硼、氧化鋁、不銹鋼及鎢等纖維；增強(qiáng)顆粒包括碳化硅、氧化鋁、碳化硼等；增強(qiáng)晶須包括碳化硅、氧化硅、硼酸鋁等。以上各種基體和增強(qiáng)體可組成大量金屬基復(fù)合材料，但目前多數(shù)處于研發(fā)階段，只有少數(shù)得到應(yīng)用。如硼、石墨纖維增強(qiáng)鋁(鎂)用于衛(wèi)星、航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)、空間望遠(yuǎn)鏡部件，碳化硅纖維與顆粒增強(qiáng)鈦合金用于大推重比飛機(jī)壓氣機(jī)部件，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料(PRA)廣泛用于航空、航天及汽車(chē)、電子領(lǐng)域。在金屬基復(fù)合材料中顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料最具發(fā)展?jié)摿?。該材料具有比?qiáng)度和比模量高，耐磨性、阻尼性及導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)異性能。其主要應(yīng)用領(lǐng)域一是航空、航天和軍事領(lǐng)域，二是汽車(chē)、電子信息和高速機(jī)械等民用領(lǐng)域。發(fā)展目標(biāo)是代替鋁合金、欽合金、鋼等用于制造高性能的構(gòu)件，減重并提高性能和儀器精度。

　　銅基復(fù)合材料按增強(qiáng)體的不同可分為：硼化物（TiB2，ZrB2，CrB2）增強(qiáng)型、氧化物（A12O3、Y2O3、ZrO2、ThO2、SiO2）增強(qiáng)型、碳化物(ZrC、WC、SiC、NbC、TaC、TiC)增強(qiáng)型、氮化物(AlN)增強(qiáng)型以及硅化物增強(qiáng)型等。目前常見(jiàn)的增強(qiáng)體還有：Ni2Sn、Fe2Ti、NixTiy、Fe2P、Co2P、Mg3P2等。增強(qiáng)體的形態(tài)主要包括纖維、晶須、顆粒等[4]。引入纖維、晶須、陶瓷顆粒等高強(qiáng)度的強(qiáng)化相增強(qiáng)基體顯示出良好的發(fā)展前景，其方法是向銅基體內(nèi)植入穩(wěn)定的高強(qiáng)度第二相，通過(guò)冷變形等加工處理，使第二相以彌散的顆粒狀或纖維狀分布與基體中，達(dá)到機(jī)械能和電導(dǎo)性能的最佳性能佳匹配。

　　銅基復(fù)合材料依據(jù)增強(qiáng)相的形態(tài)可分為：顆粒（B、C、SiC、B4C、Si3N4、WC、Mo2C、ZrO2、ZrB2、A1203、碳納米管和石墨）增強(qiáng)銅基復(fù)合材料、纖維（C纖維、Ti纖維、B纖維）增強(qiáng)銅基復(fù)合材料、晶須（SiC晶須）增強(qiáng)銅基復(fù)合材料等。

　　石墨/銅基復(fù)合材料不僅具有銅的良好的強(qiáng)度、硬度，優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐蝕性，還具有石墨良好的自潤(rùn)滑性、高熔點(diǎn)、抗熔焊性和耐電弧燒蝕性，現(xiàn)已應(yīng)用于電接觸材料、摩擦材料、導(dǎo)電材料、含油軸承和機(jī)械零件材料（如：電機(jī)用電刷，小型精密自潤(rùn)滑軸承，接觸導(dǎo)線、受電弓、極靴和其它集電器電接觸部件[5]等），特別是作為受電弓滑板材料和電刷材料，有著廣泛的應(yīng)用。提高石墨/銅復(fù)合材料的綜合性能一直以來(lái)都是科研人員研究的主要內(nèi)容。目前，對(duì)于石墨/銅復(fù)合材料的研究主要集中在界面問(wèn)題、添加物及纖維增強(qiáng)等方面。