纳米银-铜-石墨复合材料的性能研究

　　摘　要：采用粉末冶金方法，制备了纳米银-铜-石墨复合材料；研究了纳米银含量对复合材料密度、电阻率、硬度和抗弯强度的影响。结果表明，铜-石墨基复合材料随纳米银含量的增加以上性能均有提高。
　　关键词：粉末冶金；纳米银；复合材料；性能
　　铜-石墨电刷复合材料，主要应用于低压直流电机、交流异步电动机集电环、汽车、摩托车起动机和同步电机集电环等。现代工业的飞速发展，要求作为电接触滑动材料的电刷具有更好的导电性和耐磨损性。通过提高电刷中铜含量，可以满足提高导电性的要求，但使耐磨性和使用寿命降低；提高石墨含量有利于减摩和润滑，但又降低了导电性，使电机启动困难。所以，采用传统的粉末冶金方法靠调整铜、石墨含量，很难同时满足电刷导电性和耐磨性都好的要求。纳米金属粉具有比表面积大、熔点低、表面原子活性强、自扩散系数高等特殊性能^[1-2]。在粉末冶金生产中应用纳米粉末熔点低的特点，可以有效地降低烧结温度。所以，在低温烧结中纳米颗粒能够率先达到烧结温度，在基体颗粒的周围生成液相，更好地促进烧结^[3]。本文利用纳米银粉优良的导电导热性能对电刷材料进行改性，研究用不同含量的纳米银粉替代部分铜粉后，纳米银颗粒对铜-石墨基复合材料的密度、电阻率、硬度和抗弯强度的影响。
　　1　实验材料及方法
　　实验所用原料为国产电解纯铜粉、石墨粉和纳米银粉。石墨粉粒度小于30μm，纯度为99.5%；纳米银粉平均粒径为80～120nm，纯度不小于98%。
　　实验采用粉末冶金法制备试样，由于铜在空气中易氧化，导致粉末呈棕褐色或紫黑色，影响复合材料的性能，因此混料前须对其在氢气气氛炉中进行还原，加热到380℃，保温0.5h后随炉冷却到室温即可。冷却后的还原铜粉过300目，将过筛的纳米银粉按1%、2%、3%、4%和5%的质量分数与过筛的铜粉及石墨粉进行干混，成分配比见表1。压制采用钢模单向压制，压制压力200MPa左右，保压15s后脱模取出压坯。Z高烧结温度830℃，保温2h，随炉冷却到室温后取出试样。 　　本实验测量了纳米银含量变化时，电刷试样的密度、电阻率、硬度和抗弯强度。按GB-1999.14-88，采用体积-质量法测量密度；根据GB-1994.2-88，采用伏安法测量电阻率；用洛氏硬度计和万能力学试验机分别测量硬度和抗弯强度。
　　2　实验结果分析和讨论
　　2.1纳米银含量对复合材料物理性能的影响
　　密度是电碳制品在质检时常用的指标之一，它可以反映电碳制品的烧结质量，也可以间接地反映电碳制品的成分。图1为铜-石墨基复合材料的密度、电阻率随纳米银含量变化的曲线。从密度曲线中可以看出，随着纳米颗粒含量的增加，试样密度呈总的上升趋势。其原因是银的密度比铜要大，银的增加必然增大材料的密度，并且小颗粒尺寸的纳米银粉颗粒能够填补基体粉末颗粒之间的间隙，减小了孔隙率，有效提高了烧结后试样的密度^[4]，所以试样的整体密度随纳米银含量的增加而增大。从电阻率曲线可看出，随着银粉含量的增加，电阻率逐渐升高。说明用纳米银粉取代铜粉时，制备出的纳米银-铜-石墨复合材料试样的导电性能降低，这是因为虽然银的导电性能优于铜，但由于银的密度比铜大，所以随着银含量的增加，金属的体积含量减少，石墨的体积含量相对增加，金属基体相的连续性受到影响，导致电阻率的增大。另外，纳米银颗粒在烧结过程中，部分银原子与基体铜原子发生相互扩散形成固溶体，也会造成电阻率的增大。 　　2.2纳米银含量对复合材料力学性能的影响
　　硬度是材料重要的力学性能参数之一，它是材料抵抗局部压力而产生变形能力的表征。抗弯强度是衡量电碳制品质量的重要指标，它主要用来反映制品的力学性能。图2中两条曲线分别为铜-石墨基复合材料的硬度及抗弯强度随纳米银含量的变化曲线。可以看出，随着纳米银颗粒含量的增加，硬度及抗弯强度均呈上升趋势。因为在烧结过程中，银原子与铜原子发生相互扩散形成固溶体^[5]，由于两种原子半径的不同，造成晶格畸变，形成弹性应力场，阻碍了滑移面上位错的运动，使塑性变形的抗力增加^[6]，从而提高了材料的硬度和抗弯强度。 　　3　结论
　　用纳米银粉替代铜-石墨基复合材料中的部分铜粉，可使复合材料密度增大，并有效提高了硬度和抗弯强度，但使电阻率有所上升。
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