[go: up one dir, main page]

RU2811355C1 - Способ получения композиционного материала на основе порошка меди - Google Patents

Способ получения композиционного материала на основе порошка меди Download PDF

Info

Publication number
RU2811355C1
RU2811355C1 RU2023116665A RU2023116665A RU2811355C1 RU 2811355 C1 RU2811355 C1 RU 2811355C1 RU 2023116665 A RU2023116665 A RU 2023116665A RU 2023116665 A RU2023116665 A RU 2023116665A RU 2811355 C1 RU2811355 C1 RU 2811355C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
copper
graphite
powder
composite material
compact
Prior art date
Application number
RU2023116665A
Other languages
English (en)
Inventor
Никита Дмитриевич Оглезнев
Светлана Евгеньевна Порозова
Илья Иванович Якубаев
Светлана Аркадьевна Оглезнева
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет"
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет"
Application granted granted Critical
Publication of RU2811355C1 publication Critical patent/RU2811355C1/ru

Links

Abstract

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения порошковых композиционных материалов на основе меди, обладающих пониженным электрическим сопротивлением, и может быть использовано в электротехнической промышленности. Способ реализуется следующим образом: порошок графита обрабатывают в водном растворе меди с добавкой неионогенного поверхностно-активного вещества с концентрацией, близкой к критической концентрации мицеллообразования. Порошки графита и меди смешивают в этиловом спирте на установке УЗВСТ-400С (t=20 мин) и сушат при комнатной температуре. Полученную смесь прессуют и проводят отжиг прессовки в водороде. Затем повторно проводят прессование и спекание образца в вакууме (T=1060-1080°С, t=2 ч). Техническим результатом изобретения является уменьшение удельного электросопротивления материала за счет улучшения смачиваемости поверхности графита медью. 4 ил.

Description

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности, к способам получения порошковых композиционных материалов на основе меди, обладающих пониженным электрическим сопротивлением, и может быть использовано в электротехнической промышленности.
Одним из наиболее широко известных способов получения медных композитов с пониженным электрическим сопротивлением является синтез углерод-медных композитов (УМК). Хорошо известно, что графит обладает отличной проводимостью, теплопроводностью, химической стабильностью, пластичностью и устойчивостью к тепловому удару благодаря слоистой микроструктуре. Медь отличается хорошими технологическими характеристиками и теплопроводностью. Таким образом, углерод-медный композит представляет собой практически идеальный проводящий износостойкий материал, который можно использовать в качестве полос для пантографов, щеток электродвигателей, контактных материалов.
В таком композиционном материале очень важна стабильность характеристик, связанная с равномерностью распределения частиц компонентов. Однако медь и графит очень плохо совместимы, поэтому получение высококачественного композиционного материала простым смешиванием компонентов практически невозможно.
Известен способ получения медного сплава (патент РФ № 2510420, C22C 9/00; C22C 1/02; H01B 1/02 ). Медный сплав получают добавлением графита к расплаву меди в высокотемпературной среде с температурой в диапазоне от 1200°С до 1250°С в количестве, необходимом для получения медного сплава с содержанием углерода в диапазоне от 0,01 % до 0,6 % (мас.). Полученный медный сплав имеет электрическое сопротивление ниже электрического сопротивления существующих медных сплавов и прочность на растяжение выше прочности на растяжение существующих медных сплавов.
Известен способ модифицирования готового углеродного пористого материала солями меди (Ерошенко В.Д., Овчинников А.Н. Повышение трибологических и электротехнических свойств изделий из углеродного композиционного материала путем пропитки водными растворами солей меди // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2017. № 2(194). С. 122-126). Модифицирование углерода проводят пропиткой углеродного композиционного материала в течение суток в водном 10 %-ном растворе ацетата меди с добавлением 10 % резорцина при атмосферном давлении с последующей термообработкой при 250°C. Данный метод обеспечивает введение в поры материала ультрадисперсной меди, что обусловливает снижение коэффициента трения, уменьшение износа и повышение срока службы композиционного материала в качестве токосъемных вставок на 20 %.
Недостатком такого способа является низкий срок службы материала и наличие большой пористости.
Порошковый композит на основе меди с улучшенными прочностными характеристиками может быть получен (патент РФ, № 2718523, C22C 1/05, B22F 1/00, B22F 3/12) смешиванием медного порошка с терморасширенным графитом. Фракцию медного порошка с размерами не более 5,0 мкм смешивают с порошком терморасширенного графита в соотношении 99,00-99,95 (мас.) % медного порошка - 0,05-1,00 (мас.) % терморасширенного графита, перемешивают приготовленную смесь и осуществляют микромеханическое расщепление терморасширенного графита путем помола в планетарной шаровой мельнице в режиме 330-370 об./мин на протяжении 5-6 ч, после чего проводят прессование заготовок и последующую термообработку.
Недостатком способа является продолжительность процесса получения композита.
Одним из наиболее широко используемых вариантов является предварительное химическое меднение природного чешуйчатого графита (патент Китая № 101230456, C23C 18/40; C04B 35/628; B22F 1/02 ) или любого материала, содержащего углерод в качестве основного компонента, такого как графит, графен, аморфный углерод, углеродные нанотрубки, алмаз и SiC. При этом используется значительное количество химических соединений в качестве диспергаторов и растворителей. Среди них такие как поливинилпирролидон, поливиниловый спирт, гидразин, глюкоза, этиленгликоль, диметилформамид, диметилсульфоксид, тетрагидрофуран, ацетонитрил или их смеси. Большинство из этих соединений обладают высокой токсичностью. Спекание производят в атмосфере инертного, восстановительного газов или в вакууме.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ, описанный в патенте РФ № 2087575 (C22C 1/09, H01H 1/02). Для получения композиционного материала порошки меди и графита в заданном соотношении смешивают всухую со смесью нановолокон, фуллеренов и графита, получаемой в процессе синтеза фуллеренов. Смесь прессуют, полученные шайбы спекают в вакууме при 10-3 Па или в защитной атмосфере при 700-1000°С в течение 2-4 ч. Спеченные заготовки прокатывают при различных температурах с различными степенями деформации. Полученный композиционный материал обладает достаточно высокими механическими свойствами и сравнимым с известными промышленными материалами удельным электросопротивлением. Данный способ принят за прототип.
Недостатком данного способа является то, что графитовые компоненты недостаточно хорошо связаны с медной матрицей, что не позволяет снизить величину удельного электросопротивления.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение удельного электросопротивления материала за счет улучшения смачиваемости поверхности графита медью.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе получения композиционного материала на основе порошка меди, включающем смешивание порошка меди и порошка графита, прессование смеси, спекание образца в вакууме, согласно изобретению порошок графита предварительно обрабатывают в растворе сульфата меди (CuSO4) с добавлением неионогенного ПАВ в концентрации, близкой к критической концентрации мицеллообразования, смешивают порошки меди и графита в этиловом спирте, а прессовку перед спеканием в вакууме отжигают в водороде при T=750-900°С в течение t=1-2 ч и подвергают повторному прессованию.
Предварительная обработка порошка графита в растворе сульфата меди (CuSO4) с добавлением неионогенного ПАВ с концентрацией, близкой к критической концентрации мицеллообразования, обеспечивает смачивание наружных и внутренних пористых поверхностей частиц графита водными растворами солей меди.
Мокрое смешивание порошка меди и порошка графита в этиловом спирте позволит достичь равномерного распределения порошка графита в порошке меди и избежать окисления дисперсных частиц меди.
Проведение отжига прессовки в водороде при температуре ниже 750°С на протяжении недостаточного времени (менее 1 ч) не позволит обеспечить восстановление меди и достичь прочности прессовки, достаточной для манипулирования с прессовкой при проведении операции повторного прессования.
Проведение отжига прессовки в водороде при T=750 - 900°С в течение t=1-2 ч обеспечит восстановление наноразмерных частиц меди из соли на поверхностях частиц графита, а прессовка приобретет прочность. Отжиг при более высокой температуре, прежде всего, снижает открытую пористость материала, наличие которой обеспечивает возможность удаления продуктов реакции восстановления меди.
Проведение отжига прессовки в водороде при температуре выше 900°С в течение более 2-х ч приводит к испарению восстановленной меди из пористого брикета, а также более высокой плотности и прочности, которые могут вызвать разрушение брикета при холодном деформировании (повторном прессовании).
Проведение повторного прессования брикета позволяет уменьшить пористость и закрыть наружные поры брикета, чтобы устранить испарение нанодисперсной меди.
В предлагаемом способе получения композиционного материала используют порошок меди с добавлением в него порошка коллоидного графита, предварительно обработанного в растворе неионогенного поверхностно-активного вещества (ПАВ) и сульфата меди (CuSO4) без введения дополнительных восстановителей.
Способ получения порошкового композиционного материала на основе меди с пониженным удельным электрическим сопротивлением заключается в следующем:
1. подготовка водного раствора неионогенного ПАВ с концентрацией, близкой к критической концентрации мицеллообразования (ККМ). Например, для полисорбата Твин-80 ККМ составляет 0,012 мМ.
2. смешивание порошка графита с солью CuSO4 (в массовом соотношении 1:1,8) и водного раствора ПАВ;
3. диспергирование в ультразвуковой установке УЗВ СТ-400С, сушка при комнатной температуре;
4. добавление порошка меди ПМС-1 к смеси сухой смеси графита, диспергирование в УЗВ СТ-400С (t=20 мин) с добавлением этилового спирта, при этом соотношение порошка меди и графита 99:1, а содержание этилового спирта не регламентируется, т.к. этиловый спирт используется как дисперсионная среда в процессе мокрого смешивания, сушка при комнатной температуре;
5. прессование полученной смеси порошков при давлении 600 МПа;
6. отжиг прессовки в водороде (T=750 -900°С, t=1-2 ч);
7. допрессовывание образца при давлении 600 МПа;
8. спекание образца в вакууме (T=1060-1080°С, t=2 ч).
Способ характеризуется изображениями, представленными на фигурах 1-4.
На фиг. 1-2 показаны снимки, иллюстрирующие влияние добавки неионогенного ПАВ в раствор сульфата меди на краевой угол смачивания коллоидного графита: без ПАВ и с добавкой ПАВ, соответственно.
На фиг. 3 - СЭМ-изображения графита, обработанного водным раствором сернокислой меди с добавкой ПАВ после отжига в водороде.
На фиг. 4 - гистограмма зависимости удельной электропроводности от условий обработки.
Исследование влияния введения добавки ПАВ позволило определить методом лежащей капли, что добавление ПАВ в водный раствор сульфата меди уменьшает краевой угол смачивания на 51% (с 70° до 34°), т.е. поверхность графита смачивается таким раствором намного лучше (фиг.1-2).
После прессования и отжига прессовки в водороде проведены исследования на сканирующем электронном микроскопе.
На фиг. 3 приведены СЭМ-изображения графита, обработанного водным раствором сернокислой меди с добавкой ПАВ после отжига в водороде. Изображения приведены при различных увеличениях. Медь в виде сфер различного диаметра достаточно равномерно распределена в графитовых включениях.
Дальнейшее допрессовывание заготовки перед спеканием в вакууме позволяет получить композиционный материал с равномерно распределенными и хорошо связанными компонентами.
Электросопротивление полученных образцов измеряли на цифровом миллиомметре GOM-802 на образцах в форме параллелепипеда.
Измерения полученных образцов показали, что предварительная обработка графита в растворе сульфата меди (CuSO4) с добавкой ПАВ способствует понижению удельного электрического сопротивления материала (фиг.4).
Таким образом, предложенное решение позволяет достичь указанного технического результата.

Claims (1)

  1. Способ получения композиционного материала на основе порошка меди, включающий смешивание порошка меди и порошка графита, прессование смеси, спекание прессовки в вакууме, отличающийся тем, что порошок графита предварительно обрабатывают в растворе сульфата меди (CuSO4) с добавлением неионогенного поверхностно-активного вещества в концентрации, близкой к критической концентрации мицеллообразования, смешивают порошки меди и обработанного графита в этиловом спирте, а прессовку перед спеканием в вакууме отжигают в водороде при T=750-900°С в течение t=1-2 часов и подвергают повторному прессованию.
RU2023116665A 2023-06-26 Способ получения композиционного материала на основе порошка меди RU2811355C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2811355C1 true RU2811355C1 (ru) 2024-01-11

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2087575C1 (ru) * 1994-01-11 1997-08-20 Институт физики твердого тела РАН Спеченный композиционный материал
EP1688198A1 (en) * 2003-09-24 2006-08-09 Sumitomo Metal Industries, Ltd. Continuous casting mold and method of continuous casting for copper alloy
CN101230456A (zh) * 2007-11-01 2008-07-30 株洲文辉新材电碳厂 一种镀铜石墨复合材料及其制备方法
RU2510420C2 (ru) * 2009-09-07 2014-03-27 Сирогане Ко., Лтд. Медный сплав и способ получения медного сплава

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2087575C1 (ru) * 1994-01-11 1997-08-20 Институт физики твердого тела РАН Спеченный композиционный материал
EP1688198A1 (en) * 2003-09-24 2006-08-09 Sumitomo Metal Industries, Ltd. Continuous casting mold and method of continuous casting for copper alloy
CN101230456A (zh) * 2007-11-01 2008-07-30 株洲文辉新材电碳厂 一种镀铜石墨复合材料及其制备方法
RU2510420C2 (ru) * 2009-09-07 2014-03-27 Сирогане Ко., Лтд. Медный сплав и способ получения медного сплава

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2022517021A (ja) 金属材料又は金属複合材料の調製方法
KR102193589B1 (ko) 열전도도가 개선된 알루미늄-그래핀 복합소재의 제조방법
CN104746068B (zh) 一种用于铁基合金表面激光熔覆的铜基涂层及其制备方法
JP2014047127A (ja) 金属−炭素複合材、金属−炭素複合材の製造方法及び摺動部材
CN108788132B (zh) 一种铜碳复合材料原位反应制备方法
Qiu et al. Arc erosion behavior and mechanism of AgZrO2 electrical contact materials
JP7300022B1 (ja) チタン多孔質体及び、チタン多孔質体の製造方法
Wang et al. Interface structure and properties of CNTs/Cu composites fabricated by electroless deposition and spark plasma sintering
RU2811355C1 (ru) Способ получения композиционного материала на основе порошка меди
Guo et al. Relationship between the MgOp/Cu interfacial bonding state and the arc erosion resistance of MgO/Cu composites
Chmielewski et al. Relationship between mixing conditions and properties of sintered 20AlN/80Cu composite materials
Shuangyu et al. Study on the electrical properties of Cu-based ECMs prepared by TiBN powder instead of W
RU2718523C1 (ru) Способ получения порошкового композита на основе меди с улучшенными прочностными характеристиками
Kargul et al. Copper matrix composites reinforced with steel particles.
CN108655392B (zh) 一种铜包覆铬复合粉末的制备方法
EP0072306B1 (fr) Procédé de préparation d'un matériau composite comportant une matrice inorganique dans laquelle sont reparties des inclusions de carbone vitreux, matériau obtenu par ce procédé et son utilisation comme contact électrique
CN113355611A (zh) 一种碳纤维增强MoCoB金属陶瓷及制备方法
CN116179881B (zh) 一种具有优异性能的Cu-Y2O3-CNTs-TiO2复合材料的制备方法
CN103421970A (zh) 一种银基电接触材料的制备方法
Hussein et al. Fabrication of copper-graphite MMCs using powder metallurgy technique
CN117604318A (zh) 一种具有取向双峰结构的原位自生石墨烯/铜复合材料及其制备方法
JP2016160523A (ja) 銅−モリブデン複合材料及びその製造方法
Shaari et al. Thermal conductivity of copper matrix composites reinforced with multi-wall carbon nanotubes
Zhang et al. Effect of graphene content on microstructure and properties of Gr/Cu composites
Koti et al. Hardness and electrical conductivity of uncoated and silver coated carbon nanotubes reinforced copper nanocomposites