活性炭纤维增强炭基导电复合材料-南通*通活性碳纤维有限公司

活性炭纤维增强炭基导电复合材料

发布时间： 2022/12/16

　　　　　　　　活性炭纤维增强炭基导电复合材料
　　1、浸金属纯炭导电材料
　　浸金属纯炭导电材料的基本制造方法如下：先制成炭坯料，然后向坯料中浸渍熔融金属，形成坚硬的网状骨架，达到提高材料强度、耐冲击性、耐磨性和延长使用寿命的目的。用于浸渍的金属必须具有机械强度高、耐磨、热导率高、耐腐蚀、在熔融状态下黏度小且流动性好的特点，一般选用锡、锑、铜、铅合金或巴氏合金。为了达到好的浸渍效果，针对金属对炭、石墨浸润性差的问题，一方面可采用真空高压浸渍设备，另一方面可采取措施改善合金和炭、石墨的浸润性。例如，用浸渍金属的盐熔液煮沸坯料，在还原性气氛下使坯料空隙表面形成金属层，或者向合金中添加促进浸润的物质(如B2 03、Si02、Ti、Cr和Mn等)。
　　浸金属炭导电材料既具有粉末冶金材料机械强度高和电阻率小的特点，又具有纯炭导电材料对导线磨耗小、在导线摩擦表面易形成润滑膜和熄弧性强的优良性麓，是目前被认为对导线适应能力较强的电极材料。
　　2、金一纤维增强炭薹复合材料
　　金属纤维增强炭基复合材料是随着复合材料的兴旺发展而出现的，作为高强度导电材料，国内目前尚处于实验开发阶段，还没有产品投入实际应用。
　　以金属纤维、金属粉末、金属丝网或它们的混合物增强炭基体，采用适当的混料方式使增强剂均匀地分布于基体之中，然后进行冷压或热压，再经过高温烧结即得到此种复合材料。这种材料的力学性能和导电性能都比较好，但如果出现增强剂的损伤，复合材料的导电性能会严重恶化。由于金属在炭基体中以较大的尺寸分布，该复合材料滑板对铜导线的磨损也较严重。
　　20世纪90年代初，国外生产了一种炭基体分布着钢纤维的复合材料。该方法用焦炭粉混合钢纤维(体积分数为30％)，以沥青作黏结剂，经500℃热压成型，然后于1000℃炭化处理，再经800℃热处理后水淬丽成。由于在炭化和热处理过程中，钢纤维表面会发生过度渗碳，降低复合材料的抗弯强度，因此需对钢纤维进行表面预处理，主要是化学镀铜。钢纤维表面经化学处理后，抑制了金属纤维的炭化趋势，保证了金属纤维本身的强度不被削弱，从丽提高了炭素复合材料的整体强度。这种复合材料的密度约为3.79/cm3，硬度在75HS左右，抗弯强度在160MPa左右，冲击韧性约为1.0J/cm2，电阻率约为150Q·m[26]。
　　3、炭一铜基复合材料
　　根据增强体的不同，此类复合材料又包括SiC颗粒增强炭一铜复合材料、活性炭纤维增强炭一铜复合材料和连续SiC纤维增强炭一铜复合材料。
　　(1)SiC颗粒增强炭一铜复合材料
　　SiC颗粒增强炭一铜复合材料的制备主要有粉末冶金法、复合电铸法和复合电沉积法等，不能采用液态法，原因是在高温液态下铜和SiC会发生严重的化学反应E283而损害增强体。
　　S．C．Tjong等应用热等静压法制备了SiC颗粒增强复合材料，并测定了其耐磨性能、屈服强度和维式硬度，虽然其耐磨性能和维式硬度提高了，但其屈服强度却比基体铜还低。其原因是SiC颗粒和基体铜之间在固态条件制备下既不润湿，又没有界面反应，因而界面结合太弱了。K．M．Shu等采用化学镀的方法在 SiC颗粒表面包覆一层铜后通过粉末冶金法制备成型，并对比了无涂层和有涂层处理两种试样的显微组织和热膨胀特性，发现有涂层的界面结合较好，而且其热膨胀系数也能得到有效的减少。湛永钟等也采用化学处理工艺在SiC颗粒增强物表面均匀包覆了一层铜，使复合材料获得紧密的界面结合，经过界面改性后，发挥了SiC颗粒的增强作用，使复合材料获得了更高的强度和硬度，而电导率只有少许下降。
　　(2)活性炭纤维增强炭一铜复合材料
　　目前制备活性炭纤维增强炭一铜复合材料的方法主要有固态法(粉末冶金法、热压法等)和液态金属法(挤压铸造法、液态金属浸渍法、真空压力浸渍法等)。
　　由予活性炭纤维与钢之闻既不润湿，在固、液态下又不发生反应，因此在制备活性炭纤维增强复合材料时，首先遇到的难题就是解决两相之闻的润湿性，目前的研究主要从基体中加入合金元素或对活性炭纤维进行表露处理蕊个方面来改善润湿性。由于合金元素的加入往往会在界面处形成反应层，造成纤维的损伤．影响复合材料的力学性能及导电性能，所以常用的方法是对活性炭纤维进行表面处理。
　　目前较有成效的纤维表面处理方法是在活性炭纤维表面涂覆一层金属，最常见的是用涂覆钢来改善活性炭纤维与铜液的润湿性，以提高复合材料的界雨结合强度。活性炭纤维表面镀钢的方法很多，常用的方法有化学镀铜、电镀铜和气棚沉积镀铜等。
　　无论采用何种镀铜方法，一般都要求在镀铜前对纤维进行表面清洗及改性处理。国内王玉林和万怡灶等、凤仪等以及国外的C．Schrank等[37]在这方面做了大量工作。王玉林等通过在Cf/Cu复合材料的基体铜中添加不同的合金元素(Sn、Ni、Fe)来改善界面结合强度，他们制备Cf/Cu复合材料采用的方法是连续三步电沉积后真空热压，其工艺漉程为：活性炭纤维预处理一第一步电沉积Cu一第二步电沉积Cu一第三步电沉积Cu一真空热压。
　　(3)连续SiC纤维增强炭一铜复合材料
　　连续SiC纤维增强炭一铜复合材料的制备有直接纤维涂层法和引入Ti作为中间层两种方法。直接纤维涂层法是指直接在SiC纤维表面电镀一层一定厚度的铜，然后将其装入铜制的包套中，抽真空并焊封后进行热等静压成型。引入Ti作为中间层是在纤维上溅射一定厚度的Ti(通常为几十纳米到100nm)，然后溅射一定厚度的铜(用来防止Ti的氧化)，再在已被涂敷的纤维上电镀一定厚度的铜(其厚度可根据复合材料纤维体积分数的要求确定)，最后也是按直接纤维涂层法一样进行热等静压成型。
　　分析测试结果表明，没有溅射Ti进行改性的界面剪切应力rd和界面摩擦应力rf均不高，纤维很容易从基体里顶出。纤维和基体之间有较大的裂缝，其原因可能是SiC纤维表面的富炭涂层与铜既不润湿和相互扩散，又不发生反应，这使得炭涂层犹如纤维和基体之间的润滑剂，因此纤维和基体之间的界面机械结合强度很低。而纤维表面涂覆一层Ti之后，钛和炭在一定温度下发生反应生成TiC。这层TiC形成了一个从基体到纤维的过渡区，具有介于基体和纤维中间的物理性质，使其模量具有渐变特征，能使复合材料在受力过程中基体和纤维的承载均匀。
　　对于SiC颗粒、活性炭纤维和SiC纤维增强的炭一铜复合材料，其基体和增强体之间的界面改性问题均尚无定论，制备工艺尚不成熟，而且部分力学性髓尚无参考数据可言。对颗粒表面进行基体或其他元素涂覆以改善SiC颗粒增强炭一铜复合材料的界面结合强度将是一种主要手段，但选择合适的涂覆工艺、降低成本、探索合适的制备工艺参数(如制备温度、压力和时间)以及研究该材料的热膨胀特性等还值得进一步发展。