纤维状态对碳纤维-铜基复合材料性能的影响

钟涛生， 李小红， 王燕齐

(江西理工大学，江西赣州 341000)

引 言

碳纤维-铜基复合材料是以金属铜为基体，碳纤维为增强体，通过液相浸渍、热压、扩散粘结、挤压铸造和冷压-烧结等技术制备而成的一种复合材料［1-2］。因集成了碳纤维低密度高强度、低电阻高热导率、耐摩擦低磨损及负热膨胀系数等性能优势［3-4］和金属铜的高导电导热性及良好的延展性等特性，所以碳纤维-铜基复合材料不仅具有良好的导电导热、低的热膨胀系数及尺寸稳定性等物理特性［5］，还有低摩擦磨损、高比强度比模量等机械性能［6-7］。众多的性能特点决定了该复合材料在电机的电刷、焊机导电咀、电气化列车上的受电弓滑板、高集成电路基板和封装管等方面具有广阔的应用前景。该复合材料还有一个典型的特点是具有良好的性能设计性，可以通过改变复合原材料的配比、增强体的尺寸和碳纤维的表面状况等因素来改变复合材料的性能［8］。尽管在理论上可对碳纤维-铜基复合材料进行性能设计，但是由于上述各因素对该复合材料性能影响规律缺乏，导致在研究与制备过程存在较大的盲目性。本论文采用冷压、烧结法研究碳纤维的含量、尺寸和表面状况等状态因素对碳纤维-铜基复合材料性能的影响，以期对后续的研究奠定理论基础。

1 实验方法

1)碳纤维材料。每束碳纤维含1000根单纤维丝，纤维丝的d约为10μm(兰州金碳碳纤维新材料研究所)，Cu 粉粒度为 75μm，w(氧)≤0.05%(天津市科密欧化学试剂有限公司，分析纯)。

2)碳纤维镀液。镀铜溶液组成，180g/L硫酸铜，60g/L 硫酸，80g/L 氯化铜，0.35mL/L 聚二硫二丙酸钠。镀镍溶液组成，300g/L硫酸镍，40g/L氯化镍，30g/L硼酸。在自制的电镀池中于25℃条件下对碳纤维表面进行镀铜和镀镍。电镀工艺参数均为 Jκ=2.5A/dm2，t=2min。电镀后进行清洗干燥。

3)压制成型。采用自制的冷压成型模具(如图1所示)在万能力学性能试验机上，以250MPa的压力和55s保压时间将混合原料压制成［d 20mm×(20mm～25mm)］圆柱体状的复合材料坯体。

4)坯体烧结。将压制好的坯体埋伏在碳粉中，置于箱式电阻炉中800℃真空烧结30min。

图1 冷压成型模具

2 实验结果及分析

2.1 纤维含量对碳纤维-铜基复合材料性能的影响

以长度为3mm的碳纤维和还原Cu粉为原料，用电子天平称量5组碳纤维与Cu粉的质量比各不相同的原料，用酒精做分散剂在烧杯中将各组碳纤维充分分散之后，把称量好的Cu粉加入相应的烧杯中，用玻璃棒长时间搅拌至充分混合均匀，每次将一组混合料全部加入预先装好了下凸模(如图1所示)压制模具的凹模中并静置约30s，待酒精从凹模和下凸模的缝隙中充分流出后，再施加压力进行圆柱体坯样压制。将坯样烧结制得碳纤维-铜基复合材料后，分别测量该材料的强度和耐磨性能，同时采用线切割→镶嵌→打磨→抛光→反向镶嵌→反向打磨→反向抛光的工序制得试样，测量密度、强度、耐磨性和电阻率，结果如图2和图3所示。

图2 w(碳纤维)与密度、强度关系曲线

图3 w(碳纤维)与磨损量、电阻率关系曲线

由图2可以发现，碳纤维-铜基复合材料烧结前后的密度随着碳纤维质量分数的增加不断下降，碳纤维质量分数小于3.5%时，下降速度缓慢，碳纤维质量分数超过3.5%时，密度随碳纤维质量分数增加而下降的速度很快。碳纤维-铜基复合材料的强度随着碳纤维质量分数的增加先上升后下降。由图3可知，碳纤维-铜基复合材料的磨损量随着碳纤维质量分数的增加先下降后上升;电阻率随着碳纤维质量分数的不断增加而上升，上升速度逐渐加快。碳纤维作为一种低密度的成分，具有较大的体积效应，即小质量分数会表现很大的体积分数，另外碳纤维作为高刚度的增强相，它在压制过程中发生的弹性变形会使复合内部积聚弹性内应力，脱模后和烧结时会由于弹性内应力的释放而发生弹性后效。较大的体积效应和弹性后效会导致复合材料结构疏松，孔隙率增加，使得复合材料的导电性、强度、密度和抗摩擦性能下降。复合材料烧结过程发生体积扩散和润湿扩散，会使复合材料变得密实，孔隙率下降，表现出材料的电阻率下降，密度、强度和抗磨损性能上升。当碳纤维质量分数较低时，烧结致密化比例会大于弹性后效的比例，所以在碳纤维质量分数小于3.5%时，机械性能不断提高。另外，因为碳纤维是一种高强度、低摩擦系数的增强相，其质量分数增加有利于提高复合材料的强度和耐磨性。但是当碳纤维质量分数约为3.5%时，烧结致密化比例会小于弹性后效的比例，使得各种性能变差。

碳纤维-铜基复合材料的表面形貌如图4所示。由图4可以发现，图4(a)中的碳纤维质量分数明显较图4(b)中的要高，而且图4(a)中的结构也明显较图4(b)的结构疏松。另外复合材料密度随碳纤维质量分数的增加而减小是由于碳纤维的低密度和复合材料的性能服从混合定律所造成的。

图4 碳纤维-铜基复合材料的表面形貌照片

2.2 纤维长度对碳纤维-铜基复合材料性能的影响

采用碳纤维和还原Cu粉配备5组碳纤维质量分数为3%纤维长度不同的原料。然后按照2.1的过程进行混料、装料、压制和烧结。烧结前后测试复合材料的密度、强度、耐磨性和电阻率，结果如图5和图6所示。

图5 碳纤维长度与密度、强度关系曲线

图6 碳纤维长度与磨损量、电阻率关系曲线

由图5和图6可以发现，随着碳纤维长度的不断增加，碳纤维-铜基复合材料的强度先上升后下降，而密度、耐磨性和导电性能却一直随着纤维长度的增加而不断下降。2.1中已经提及，碳纤维是一种高刚度的增强相，在压制成形过程中会发生弹性变形而积聚弹性内应力，内应力的后续释放会影响复合材料的密度和各组成相界面之间的结合状况，进而影响复合材料的其它各项性能。由于碳纤维的刚度较大，在压制成型过程会以Cu粉颗粒为作力点和支点发生三点弯曲或者多点弹性弯曲变形。碳纤维尺寸越长，单根碳纤维上参与多点弯曲的Cu粉颗粒数目越多，而且弹性变形程度越严重，聚积的内应力也越大，脱模后和烧结过程发生的弹性后效越大。使碳纤维-铜基复合材料内部结构疏松和孔隙率增高，表现为密度和导电性能随碳纤维长度增加而下降(如图5中的B、C曲线和图6中的B曲线)。弹性后效还会使基体和增强体之间的界面结合状况变差。高孔隙率且界面结合不良的碳纤维-铜基复合材料表现出较差的力学性能，所以碳纤维长度增加，复合材料的强度和耐磨性会下降(如图5中A曲线的后半段和图6中的A曲线)。影响强度的因素不仅仅是致密性和界面结构，还和增强体的长度有关。碳纤维越长，其连续性越好，受外力作用时碳纤维之间的协调作用越好，所以在一定范围内，碳纤维越长，复合材料的强度越高(如图5中A曲线的前半段)。

2.3 电镀对碳纤维-铜基复合材料性能的影响

按照实验方法中电镀溶液配方对碳纤维进行镀镍和镀铜，清洗和干燥后切成长度为3mm的短纤维，按2.1的工艺参数制备碳纤维质量分数各不相同的3种复合材料，再进行性能测试，如图7和图8所示。

图7 电镀对碳纤维含量与强度、密度关系曲线

图8 电镀对碳纤维含量与磨损量、电阻率关系曲线

由图7和图8可以看出，对于任意一种碳纤维质量分数的碳纤维-铜基复合材料，不论在物理性能还是在机械性能方面，经过电镀预处理的性能明显优于未电镀处理的。说明碳纤维电镀金属预处理可以改善碳纤维与铜基体之间的界面结构，提高材料的各种性能。图9为镀镍碳纤维-铜基复合材料的表面形貌。

图9 镀镍的碳纤维-铜基复合材料的表面形貌照片

通过对比图4和图9可以发现，图4中表面出现较多的碳纤维屑，且界面结构较粗糙，而图9中的碳纤维屑较少，界面结构较光滑。由此可知，碳纤维未预先电镀的复合材料中碳纤维和基体之间的结合状况较差，而图9中碳纤维预先电镀镍的两相之间界面结合良好。从微观角度上对比镀铜和镀镍两种碳纤维的复合材料可以发现，除了导电性能之外，碳纤维镀镍复合材料的其它性能略优于碳纤维镀铜复合材料。

3 结论

1)碳纤维质量分数对碳纤维-铜基复合材料的各种性能都有一定的影响，密度和导电性能随着碳纤维质量分数的增加不断下降，而强度和耐磨性却随着碳纤维质量分数的增加先上升后下降。碳纤维质量分数在3% ～4.5%之间的碳纤维-铜基复合材料具有较好的综合性能。

2)碳纤维长度对碳纤维-铜基复合材料各项性能的影响趋势，随着碳纤维长度的增加，密度、导电性和耐磨性等会由于孔隙率的升高和界面结构变差而下降，强度却随着碳纤维长度的增加而先上升后下降。

3)对碳纤维预先电镀金属处理可以改善碳纤维-铜基复合材料的性能，而且碳纤维镀铜处理对复合材料导电性能的影响优于镀镍处理，但是机械性能却相反。

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