一种梯度石墨/铝基表层自润滑复合材料及制备方法 |
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| 申请号 | CN201610927384.0 | 申请日 | 2016-10-24 | 公开(公告)号 | CN106334787A | 公开(公告)日 | 2017-01-18 |
| 申请人 | 三峡大学; | 发明人 | 叶喜葱; 吴彬彬; 肖克强; 吴海华; | ||||
| 摘要 | 一种梯度 石墨 / 铝 基表层自润滑 复合材料 的制备方法，属于自润滑材料制备领域。该梯度石墨/铝基表层自润滑复合材料是由铝 合金 与梯度分布结构的石墨骨架复合而成。制备方法：首先，采用选择性激光 烧结 成型技术制备出具有梯度分布结构的石墨骨架，并对石墨骨架进行 碳 化处理，然后对石墨骨架表面进行 镀 铜 处理，最后采用 铸造 法，将石墨骨架固定于模具底部，将 铝合金 加热至熔融，浇铸到模具内，冷却脱模后，制备出梯度石墨/铝基表层自润滑复合材料。该方法解决了传统自润滑铝基复合材料制备过程中，难于实现摩擦磨损不同阶段所需分配石墨，克服了自润滑复合材料 力 学性能和摩擦磨损性能的匹配问题。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种梯度石墨/铝基表层自润滑复合材料，其特征在于，梯度石墨/铝基表层自润滑材料是由梯度结构石墨骨架与铝合金复合而成，所述铝合金是由Al、Mg、Si、Cr、Fe组成，其中Mg的质量分数为2.5-3.5wt.%，Si的质量分数为0.25-0.30wt.%，Cr的质量分数为0.20- |
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| 说明书全文 | 一种梯度石墨/铝基表层自润滑复合材料及制备方法技术领域[0001] 本发明属于自润滑材料制备领域，尤其涉及一种梯度石墨/铝基表层自润滑复合材料的制备方法。 背景技术[0002] 石墨增强铝基复合材料是一种性能优良的自润滑材料，这种复合材料不仅具有铝基体比强度高，导热性好等金属特征，而且综合了石墨的自润滑性和良好的化学稳定性。与目前广泛使用的铝锡、铝铅、锡青铜自润滑合金相比，具有优良的自润滑性，高温强度及低的密度，较好的环保属性。因此能广泛应用于制造航天飞机、人造卫星、火箭及飞机的结构件、高温发动机部件，汽车缸体、滑动轴承等机械零件。 [0003] 目前，制备石墨增强铝基复合材料的方法，普遍存在对设备要求较高，成本高的缺点。同时传统方法制备在制备复合材料时，石墨微粒均匀的分散到铝基体中，这样会带来两方面的问题：一方面，虽然复合材料的自润滑性能得到提高，但是不能针对摩擦磨损的三个阶段（跑和阶段，稳定摩擦阶段，剧烈磨损阶段）的特点，对铝基体中石墨的分布进行调整；另一方面，石墨微粒在铝基体中的均匀分布，使得铝基体整体的强度及机械性能大大降低。 发明内容[0004] 本发明为了解决传统自润滑铝基复合材料制备过程中，难于实现摩擦磨损不同阶段所需分配石墨，克服自润滑复合材料力学性能和摩擦磨损性能的匹配问题。能根据摩擦磨损三个阶段的特性，使石墨在铝中按需分配，尽量减少磨合阶段，延长稳定摩擦阶段，延后剧烈磨损阶段，从而在不减少复合材料力学强度的同时，提高材料的自润滑性能，大大延长了自润滑材料的使用寿命，同时石墨骨架只存在与复合材料表层，大大提高复合材料的力学强度。解决现有的自润滑铝基复合材料整体强度低，机械性能差及难于实现石墨的按需分配，梯度分布的问题，而提供了一种梯度石墨铝基表层自润滑材料的制备方法。 [0005] 本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种梯度石墨/铝基表层自润滑复合材料的制备方法，梯度石墨/铝基表层自润滑材料是由梯度结构石墨骨架与铝合金复合而成。铝合金是由Al、Mg、Si、Cr、Fe组成，其中Mg的质量分数为2.5-3.5wt.%，Si的质量分数为0.25-0.30wt.%，Cr的质量分数为0.20-0.25wt.%，Fe的质量分数为0.35-0.40wt.%，余量为Al。梯度结构石墨骨架整体有三个梯度层，最外层石墨骨架梯度层质量分数占复合材料所在层的10-12%，厚度为0.05~0.1mm；中间层石墨骨架梯度层质量分数占复合材料所在层的8-10%，厚度为1.5~2mm；最内层石墨骨架梯度层质量分数占复合材料所在层的6-8%，厚度为0.3~0.5mm。梯度结构石墨骨架表面包覆有厚度为 0.1-0.5mm的镀层，通过化学镀铜的方法对梯度结构石墨骨架表面进行表面改性处理，得到镀铜层。 [0006] 上述一种梯度石墨/铝基表层自润滑复合材料的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：一、采用选择性激光烧结成形技术（SLS）烧结石墨粉与酚醛树脂粉的混合物，制得梯度结构的石墨骨架坯体； 二、将上述石墨骨架坯体置于高温碳化炉中，在氮气或氩气的保护气氛中进行碳化处理，增强石墨骨架坯体的力学强度，获得梯度结构石墨骨架； 三、将上述梯度结构石墨骨架置于盐酸（HCl）、氯化亚锡（SnCl2）的混合溶液中进行敏化处理。然后用去离子水冲洗至中性，干燥； 四、将经过敏化处理的石墨骨架放置于硝酸银（AgNO3）、氨水溶液中进行活化处理。然后用去离子水冲洗至中性，干燥； 五、将经过活化处理的石墨骨架置于次亚磷酸钠（NaH2PO2）溶液中进行还原处理。然后用去离子水冲洗至中性，干燥； 六、上述步骤三～五为镀前预处理，将步骤五中得到石墨骨架置于硫酸铜（CuSO4• 5H2O）、氢氧化钠、乙二胺四乙酸二钠、甲醛、酒石酸钾钠、2，2’联砒啶混合溶液中进行镀铜处理，然后去离子水冲洗至中性，干燥，得到镀铜石墨骨架； 七、将镀铜石墨骨架固定于铸造模具底部，并整体预热至300℃。然后采用铸造法将液态铝合金浇铸到铸造模具中，制得所需的梯度石墨/铝基表层自润滑复合材料。 [0007] 上述方案中，所述步骤一中的酚醛树脂粉的质量分数占石墨粉与酚醛树脂粉总质量的25-50%，余量为石墨粉；所述石墨粉粒度为200-550目，所述酚醛树脂粒度为500目以上。 [0008] 上述方案中，步骤二中，将所述的石墨骨架坯体置于高温碳化炉中，在氮气或氩气的保护下：先由室温加热到100-300℃，升温速率为60℃/h；再以升温速率30℃/h升温到500-800℃；然后以50℃/h的升温速率升温到600-1000℃；在600-1000℃下保温1h；最后碳化炉停止加热直至冷却到室温。进一步优选为将所述的石墨骨架坯体置于高温碳化炉中，在氮气或氩气的保护下：先由室温加热到200℃，升温速率为60℃/h；再以升温速率30℃/h升温到600℃；然后以50℃/h的升温速率升温到800℃；在800℃下保温1h；最后碳化炉停止加热直至冷却到室温。 [0009] 上述方案中，所述步骤三中的盐酸（HCl）为0.2mol/L，氯化亚锡（SnCl2）20.0g/L，溶液温度25℃，敏化时间10min，石墨处理量50g/L（每升溶液处理50g石墨）。配制溶液时，应把氯化亚锡溶于盐酸中，然后加水至所需体积，避免因发生水解，而降低敏化效果。 [0010] 上述方案中，所述步骤四中的硝酸银（AgNO3）为30.0g/L，氨水少许。溶液温度25℃，活化时间10min，石墨处理量50g/L（每升溶液处理50g石墨）。溶液配制时，先硝酸银溶解于1/5所需体积的去离子水中，然后逐渐加入氨水，此时溶液会出现棕色沉淀，随着氨水的加入，棕色沉淀逐渐消失，直至溶液澄清为止，再用去离子水稀释至规定体积，溶液配制完成。 [0011] 上述方案中，所述步骤五中的次亚磷酸钠（NaH2PO2）为40.0g/L，溶液温度25℃，还原时间10min，石墨处理量50g/L（每升溶液处理50g石墨）。 [0012] 上述方案中，所述步骤六中的硫酸铜（CuSO4•5H2O）为20.0g/L，氢氧化钠少许，乙二胺四乙酸二钠为25.0g/L，酒石酸钾钠为14.0g/L，2，2’联砒啶为20mg/L，甲醛为25.0ml/L。配制好溶液后用氢氧化钠调节pH值至12，将石墨骨架置于溶液中，并立即用薄膜封好，溶液温度60℃，镀铜时间30-60min，石墨处理量50g/L。 [0013] 上述方案中，所述步骤七中的镀铜石墨应固定于铸造模具底部，以便在浇铸铝合金后制得表层石墨自润滑层。 [0014] 本发明具有如下有益效果：本发明提供了一种梯度石墨/铝基表层自润滑复合材料的制备方法。该方法现实了复合材中石墨的含量及其分布完全可控，实现了石墨在复合材料中的按需分配。具体来说：本发明可以根据摩擦磨损的三个阶段（磨合阶段，稳定摩擦阶段，剧烈磨损阶段）的特点，制备出梯度结构的石墨骨架，石墨骨架分为三个梯度，三个梯度的石墨骨架体积分数呈负梯度变化：最外层石墨骨架的体积分数最大，有益于减少摩擦跑和阶段；第二层石墨骨架体积分数降低，但厚度的增加有益于延长稳定摩擦阶段；第三层石墨骨架的体积分数最小，由于石墨膜的形成，尽量延后了剧烈磨损阶段。从而最大程度上减少了摩擦磨损，提高了复合材料的使用寿命。 [0015] 本发明对石墨骨架进行镀铜处理，解决了石墨骨架与铝合金的界面结合强度不足的问题。 [0017] 下面结合附图对本发明作进一步的说明：图1为实施例1或2中梯度结构石墨骨架示意图。 [0018] 图2为实施例1或2中梯度石墨铝基表层自润滑材料的整体结构示意图。 [0019] 图3为本发明的梯度石墨铝基表层自润滑材料制备工艺流程。 具体实施方式[0020] 下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。 [0021] 实施例一：如图3所示，一种梯度石墨/铝基表层自润滑复合材料的制备方法，它包括如下步骤： （1）取石墨粉（200目）和酚醛树脂粉（600目）为制备石墨骨架的原料，经混合均匀放入选择性激光烧结成型机中，其中酚醛树脂粉为粘结剂，且酚醛树脂占粉末总质量的25%。采用选择性激光烧结的方法制备出梯度结构石墨骨架坯体。梯度结构石墨骨架整体分为三层，其中第一层石墨骨架质量分数占铝合金所在层的10%，厚度为0.1mm；第二层石墨骨架质量分数占铝合金所在层的8%，厚度为1.6mm；第三层石墨骨架质量分数占铝合金所在层的 6%，厚度为0.3mm。 [0022] （2）将上述石墨骨架置于高温碳化炉中，在氮气或氩气保护气氛中进行碳化处理，增加石墨骨架坯体力学强度，获得梯度结构石墨骨架。碳化处理过程为：先由室温加热到200℃，升温速率60℃/h；再以升温速率30℃/h升温到600℃；然后以50℃/h的升温速率升温到800℃；在800℃保温1h；最后碳化炉停止加热直至冷却到室温。 [0023] 3）将步骤2中获取的梯度结构石墨骨架置于盐酸（HCl）、氯化亚锡（SnCl2）的混合溶液中进行敏化处理。然后用去离子水冲洗至中性，干燥。其中，盐酸（HCl）为0.2mol/L，氯化亚锡（SnCl2）20.0g/L，溶液温度25℃，敏化时间10min，石墨处理量50g/L（每升溶液处理50g石墨）。配制溶液时，应把氯化亚锡溶于盐酸中，然后加水至所需体积，避免因发生水解，而降低敏化效果。 [0024] 4）将步骤3中经过敏化处理的石墨骨架放置于硝酸银（AgNO3）、氨水溶液中进行活化处理。然后用去离子水冲洗至中性，干燥。其中，硝酸银（AgNO3）为30.0g/L，氨水少许。溶液温度25℃，活化时间10min，石墨处理量50g/L（每升溶液处理50g石墨）。溶液配制时，先硝酸银溶解于1/5所需体积的去离子水中，然后逐渐加入氨水，此时溶液会出现棕色沉淀，随着氨水的加入，棕色沉淀逐渐消失，直至溶液澄清为止，再用去离子水稀释至规定体积，溶液配制完成。 [0025] 5）将步骤4中经过活化处理的石墨骨架置于次亚磷酸钠（NaH2PO2）溶液中进行还原处理。然后用去离子水冲洗至中性，干燥。其中，次亚磷酸钠（NaH2PO2）为40.0g/L，溶液温度25℃，还原时间10min，石墨处理量50g/L（每升溶液处理50g石墨）。 [0026] 6）将步骤5中得到石墨骨架置于硫酸铜（CuSO4•5H2O）、氢氧化钠、乙二胺四乙酸二钠、甲醛、酒石酸钾钠、2，2’联砒啶溶液中进行镀铜处理，然后去离子水冲洗至中性，干燥，得到镀铜石墨骨架。其中，硫酸铜（CuSO4•5H2O）为20.0g/L，氢氧化钠少许，乙二胺四乙酸二钠为25.0g/L，酒石酸钾钠为14.0g/L，2，2’联砒啶为20mg/L，甲醛为25.0ml/L。配制好溶液后用氢氧化钠调节PH值至12，将石墨骨架置于溶液中，并立即用薄膜封好，溶液温度60℃，镀铜时间30-60min，石墨处理量50g/L。 [0027] 7）将镀铜石墨骨架固定于铸造模具底部，并整体预热至300℃。然后采用铸造法将液态铝合金浇铸到铸造模具中，制得所需的梯度石墨/铝基表层自润滑复合材料。其中，铝合金是由Al、Mg、Si、Cr、Fe组成，其中Mg的质量分数为2.5-3.5wt.%，Si的质量分数为0.25-0.30wt.%，Cr的质量分数为0.20-0.25wt.%，Fe的质量分数为0.35-0.40wt.%，余量为Al。 [0028] 实施例二：1）取石墨粉（300目）和酚醛树脂粉（700目）为制备石墨骨架的原料，经混合均匀放入选择性激光烧结成型机中，其中酚醛树脂粉为粘结剂，且酚醛树脂占粉末总质量的30%。采用选择性激光烧结的方法制备出梯度结构石墨骨架坯体。梯度结构石墨骨架整体分为三层，其中第一层石墨骨架质量分数占铝合金所在层的12%，厚度为0.1mm；第二层石墨骨架质量分数占铝合金所在层的10%，厚度为1.8mm；第三层石墨骨架质量分数占铝合金所在层的7%，厚度为0.4mm。 [0029] 2）将上述石墨骨架置于高温碳化炉中，在氮气或氩气保护气氛中进行碳化处理，增加石墨骨架坯体力学强度，获得梯度结构石墨骨架。碳化处理过程为：先由室温加热到200℃，升温速率60℃/h；再以升温速率30℃/h升温到600℃；然后以50℃/h的升温速率升温到800℃；在800℃保温1h；最后碳化炉停止加热直至冷却到室温。 [0030] 3）将步骤2中获取的梯度结构石墨骨架置于盐酸（HCl）、氯化亚锡（SnCl2）的混合溶液中进行敏化处理。然后用去离子水冲洗至中性，干燥。其中，盐酸（HCl）为0.2mol/L，氯化亚锡（SnCl2）20.0g/L，溶液温度25℃，敏化时间10min，石墨处理量50g/L（每升溶液处理50g石墨）。配制溶液时，应把氯化亚锡溶于盐酸中，然后加水至所需体积，避免因发生水解，而降低敏化效果。 [0031] 4）将步骤3中经过敏化处理的石墨骨架放置于硝酸银（AgNO3）、氨水溶液中进行活化处理。然后用去离子水冲洗至中性，干燥。其中，硝酸银（AgNO3）为30.0g/L，氨水少许。溶液温度25℃，活化时间10min，石墨处理量50g/L（每升溶液处理50g石墨）。溶液配制时，先硝酸银溶解于1/5所需体积的去离子水中，然后逐渐加入氨水，此时溶液会出现棕色沉淀，随着氨水的加入，棕色沉淀逐渐消失，直至溶液澄清为止，再用去离子水稀释至规定体积，溶液配制完成。 [0032] 5）将步骤4中经过活化处理的石墨骨架置于次亚磷酸钠（NaH2PO2）溶液中进行还原处理。然后用去离子水冲洗至中性，干燥。其中，次亚磷酸钠（NaH2PO2）为40.0g/L，溶液温度25℃，还原时间10min，石墨处理量50g/L（每升溶液处理50g石墨）。 [0033] 6）将步骤5中得到石墨骨架置于硫酸铜（CuSO4•5H2O）、氢氧化钠、乙二胺四乙酸二钠、甲醛、酒石酸钾钠、2，2’联砒啶溶液中进行镀铜处理，然后去离子水冲洗至中性，干燥，得到镀铜石墨骨架。其中，硫酸铜（CuSO4•5H2O）为20.0g/L，氢氧化钠少许，乙二胺四乙酸二钠为25.0g/L，酒石酸钾钠为14.0g/L，2，2’联砒啶为20mg/L，甲醛为25.0ml/L。配制好溶液后用氢氧化钠调节PH值至12，将石墨骨架置于溶液中，并立即用薄膜封好，溶液温度60℃，镀铜时间30-60min，石墨处理量50g/L。 [0034] 7）将镀铜石墨骨架固定于铸造模具底部，并整体预热至300℃。然后采用铸造法将液态铝合金浇铸到铸造模具中，制得所需的梯度石墨/铝基表层自润滑复合材料。其中，铝合金是由Al、Mg、Si、Cr、Fe组成，其中Mg的质量分数为2.5-3.5wt.%，Si的质量分数为0.25-0.30wt.%，Cr的质量分数为0.20-0.25wt.%，Fe的质量分数为0.35-0.40wt.%，余量为Al。 |
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