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摘要：采用粉末冶金的方法制备了碳纤维铜基复合材料，研究了添加剂钛粉对此类材料摩擦性能、强度及电导率的影响。本文主要讨论了Cf-Cu复合材料在电镀铜和电镀镍的情况下，钛粉对它的摩擦性能、强度及电导率的影响。实验结果显示：添加剂钛粉的加入，Cf-Cu复合材料的摩擦性能和强度性能增强，电阻率下降。
关键词：粉末冶金 碳纤维铜基复合材料 摩擦性能 强度 电导率
引 言
随着现代科学技术的迅速发展，特别是航天航空技术的发展以及微电子工业的发展，对材料提出了日益增高的性能要求。如在宇航的动力构件中，必须用比强度，比模量高的材料制造；又如宇航飞行器在温度变化很大的环境中工作等，这些都给构件材料提出了更高的性能要求。而单一金属材料已很难满足这些要求，因此，人们越来越多地借助于复合材料来克服单一材料性能上的局限性，获得各种特殊的综合性能。
碳纤维增强铜基复合材料兼顾碳纤维和铜基体材料的性能而成为更为优异的工程结构材料和具有特殊性能的功能材料。由于具有高温性能好，比强度高，比模量高，导电、导热性能好，横向力学性能，层间剪切强度高，不吸湿、不老化等优点，使得此类材料已成为当今材料界研究的热点之一。
Cf-Cu复合材料的制备工艺主要有热压固结法、粉末冶金法、挤压铸造法、液态金属浸渍法、真空压力浸渍法等，为了获得更高的热导率及较好的减摩、耐磨性能，本文采用粉末冶金法制备Cf-Cu复合材料。该类材料由于具有摩擦磨损性能好，比强度高，热导率高等优点，在减摩、耐磨材料中应用非常广泛。文中主要工作是研究Cf-Cu复合材料在电镀铜和电镀镍的情况下，添加剂钛粉对它的摩擦性能、强度及电导率的影响。
1、实验部分
1.1 实验原料
碳纤维（吉林碳素厂生产的PAN碳纤维）、铜粉（国药集团化学试剂有限公司生产）、钛粉、镍
1.2 实验设备
SXZ-10-12型箱式电阻炉、摩擦机
1.3 实验方法
1.3.1 Cf-Cu复合材料的制备
为了克服碳纤维和铜化学相容性差及二者不润湿也不反应的缺点，使得铜与碳纤维之间的界面结合力更强，首先在碳纤维表面镀铜处理，以增强碳纤维与铜基体的复合，再将经过电镀铜处理的碳纤维切割成短碳纤维，随后与铜粉按一定质量比均匀混合，压制成型，最后将坯体放入上海实验电炉厂生产的SXZ-10-12型号箱式电阻炉中处于真空状态下进行烧结，得到Cf-Cu复合材料。
1.3.2摩擦性能的测试
把压制好的柱状试样安放在摩擦机上并用螺钉固定，先进行干磨，每个试样磨5次，每次磨的时间为半个小时，磨完后把试样取出用洗衣粉清洗干净，然后再用纯水清洗，随后放入装满酒精的烧杯中浸泡5分钟取出，用纯水冲洗干净完后放入烘干箱中烘烤10分钟，最后取出让它空冷后，放入电子光学天平（型号MP100010最小精度为0.0001g）中称量出干磨完后的质量。干磨示意图如图1所示。
把所有试样干磨完成后进行湿磨这样可以最大限度的减少误差，湿磨即在转轮下面放一盆机油，实验过程与干磨一样。湿磨示意图如图2所示。
1.3.3强度的测量
本次试验主要测量碳纤维增强铜基复合材料的抗弯强度（即挠度），试验方法采用三点弯曲法测量，由于试样是圆柱体形，体积较大，不容易直接在试样上测量其强度，所以首先在试样上切下一小块，再利用XQ-2型金相试样镶嵌机镶嵌好试样小块，将其磨成长15mm，宽8mm，厚3mm的长条状，最后放在自制测量设备上弯曲，记录螺钉往下拧的深度（即挠度值）。三点弯曲法测量强度原理图如图3所示。
1.3.4电阻率的测量
采用惠根斯电桥法测量电阻R（Ω），再由公式：R=ρ×L/S，可求得电阻率ρ=R×S/L，再由公式G=1/ρ，可求得电导率G。测量电阻时先将试样切下一小片，利用XQ-2型金相试样镶嵌机镶嵌好试样小片，把小片磨成厚度0.5mm，再采用线切割切下小片中间一小条（宽度1mm），这样制好的电阻样条就相当于一个小电阻。
2、实验结果讨论
2.1 添加剂钛对电镀Ni和电镀Cu处理的Cf-Cu复合材料的摩擦性能影响
以下曲线图分别是Cf-Cu复合材料在电镀Ni和电镀Cu的情况下，磨制時间（h）与磨损量（g）的关系曲线：
根据图4、图5可知，添加剂钛对电镀Ni处理的Cf-Cu复合材料在干磨时，坯体的重量在减轻，湿磨时，坯体的重量在增加，并且随着钛粉的加入，Cf-Cu复合材料的摩擦性能也在增强，从曲线图还可看出湿磨时，加入了添加剂钛粉的坯体的重量增加幅度较大。理论分析：a.在干磨时磨损了表面一层金属，使得重量下降，湿磨时虽然也会磨损，但由于坯体表面有裂痕，使得一部分机油会浸入坯体导致它的重量会随磨制时间延长而增加；b.添加了钛粉会促进铜基体与碳纤维的润湿，它可以使复合材料在烧结过程中由于扩散作用电子定向迁移的阻力减小；c.钛的加入在摩擦面上容易形成碳纤维润滑膜，使磨损量减小。
根据图6、图7可知，钛粉对电镀Cu处理的Cf-Cu复合材料在干磨时重量在减小，湿磨时重量在增加，但增加的幅度很小。当加入添加剂钛粉时，从图7还可看出，坯体的重量增加的较大。理论分析：a.在干磨时磨损了表面一层金属，使得重量下降，湿磨时虽然也会磨损，但由于坯体表面有裂痕，使得一部分机油会浸入坯体导致它的重量会随磨制时间而增加；b.添加钛元素是促进铜基体与碳纤维润湿的有效途径，它可以使复合材料在烧结过程中由于扩散作用电子定向迁移的阻力减小；c.钛元素在摩擦面上容易形成碳纤维润滑膜，使磨损量减小；d.碳纤维具有耐磨损，热膨胀系数小，自润滑和吸能抗震等一系列优点。
2.2 添加剂钛对电镀Ni和电镀Cu处理的Cf-Cu复合材料的强度性能影响
以下曲线图分别是Cf-Cu复合材料在电镀Ni和电镀Cu的情况下，碳纤维含量（%）与其强度（Mpa）的关系曲线：
从图8、9看出，1）在一定范围内不管是镀镍还是镀铜处理的Cf-Cu复合材料，无论是添加钛粉还是不添加，它们的强度均随碳纤维含量的增加而增大；2）在镀镍处理的Cf-Cu复合材料中加入添加剂钛时，强度要比没有加钛时小，而在镀铜处理的Cf-Cu复合材料中相反。理论分析：a.碳纤维铜复合材料界面是一种以机械结合为主的物理结合，这种结合的界面结合强度低，但是在复合材料中镀镍或者镀铜处理，会使界面形成C-Ni或C-Cu互扩散结合特性。导致复合材料的强度增加；b.在电镀铜处理的Cf-Cu复合材料中钛元素与铜之间的润湿性更好。
2.3添加剂钛对电镀Ni和电镀Cu处理的Cf-Cu复合材料的电导率的影响
以下曲线图分别是Cf-Cu复合材料在电镀Ni和电镀Cu的情况下，材料中碳纤维含量（%）与其电阻率（欧米）的关系曲线：
从图10、11可以看出，1）无论是镀镍还是镀铜处理的Cf-Cu复合材料的电阻率均随碳纤维含量的增加而增大。2）在碳纤维含量相同的条件下，不管在镀镍还是镀铜处理的Cf-Cu复合材料中加入添加剂钛，复合材料的电阻率会减小。理论分析：1）在碳纤维铜复合材料中加入镍或铜元素时，一方面镍（铜）是金属元素，金属镍（铜）元素电离出自由电子导致自由电子密度的增加。另一方面复合材料的几何界面减少，对自由电子的散射减少。使得复合材料的电阻率增加。2）当加入钛粉时，钛元素会在镀层界面上对镀层金属电离出来的电子的散射起促进作用，导致复合材料的电阻率减小。
3、结论
（1）加入添加剂Ti粉后，碳纤维铜复合材料的摩擦性能增强。
（2）加入添加剂Ti粉后，碳纤维铜复合材料的强度增强。
（3）加入添加剂Ti粉后，碳纤维铜复合材料的电阻率下降。■
关键词：粉末冶金 碳纤维铜基复合材料 摩擦性能 强度 电导率
引 言
随着现代科学技术的迅速发展，特别是航天航空技术的发展以及微电子工业的发展，对材料提出了日益增高的性能要求。如在宇航的动力构件中，必须用比强度，比模量高的材料制造；又如宇航飞行器在温度变化很大的环境中工作等，这些都给构件材料提出了更高的性能要求。而单一金属材料已很难满足这些要求，因此，人们越来越多地借助于复合材料来克服单一材料性能上的局限性，获得各种特殊的综合性能。
碳纤维增强铜基复合材料兼顾碳纤维和铜基体材料的性能而成为更为优异的工程结构材料和具有特殊性能的功能材料。由于具有高温性能好，比强度高，比模量高，导电、导热性能好，横向力学性能，层间剪切强度高，不吸湿、不老化等优点，使得此类材料已成为当今材料界研究的热点之一。
Cf-Cu复合材料的制备工艺主要有热压固结法、粉末冶金法、挤压铸造法、液态金属浸渍法、真空压力浸渍法等，为了获得更高的热导率及较好的减摩、耐磨性能，本文采用粉末冶金法制备Cf-Cu复合材料。该类材料由于具有摩擦磨损性能好，比强度高，热导率高等优点，在减摩、耐磨材料中应用非常广泛。文中主要工作是研究Cf-Cu复合材料在电镀铜和电镀镍的情况下，添加剂钛粉对它的摩擦性能、强度及电导率的影响。
1、实验部分
1.1 实验原料
碳纤维（吉林碳素厂生产的PAN碳纤维）、铜粉（国药集团化学试剂有限公司生产）、钛粉、镍
1.2 实验设备
SXZ-10-12型箱式电阻炉、摩擦机
1.3 实验方法
1.3.1 Cf-Cu复合材料的制备
为了克服碳纤维和铜化学相容性差及二者不润湿也不反应的缺点，使得铜与碳纤维之间的界面结合力更强，首先在碳纤维表面镀铜处理，以增强碳纤维与铜基体的复合，再将经过电镀铜处理的碳纤维切割成短碳纤维，随后与铜粉按一定质量比均匀混合，压制成型，最后将坯体放入上海实验电炉厂生产的SXZ-10-12型号箱式电阻炉中处于真空状态下进行烧结，得到Cf-Cu复合材料。
1.3.2摩擦性能的测试
把压制好的柱状试样安放在摩擦机上并用螺钉固定，先进行干磨，每个试样磨5次，每次磨的时间为半个小时，磨完后把试样取出用洗衣粉清洗干净，然后再用纯水清洗，随后放入装满酒精的烧杯中浸泡5分钟取出，用纯水冲洗干净完后放入烘干箱中烘烤10分钟，最后取出让它空冷后，放入电子光学天平（型号MP100010最小精度为0.0001g）中称量出干磨完后的质量。干磨示意图如图1所示。
把所有试样干磨完成后进行湿磨这样可以最大限度的减少误差，湿磨即在转轮下面放一盆机油，实验过程与干磨一样。湿磨示意图如图2所示。
1.3.3强度的测量
本次试验主要测量碳纤维增强铜基复合材料的抗弯强度（即挠度），试验方法采用三点弯曲法测量，由于试样是圆柱体形，体积较大，不容易直接在试样上测量其强度，所以首先在试样上切下一小块，再利用XQ-2型金相试样镶嵌机镶嵌好试样小块，将其磨成长15mm，宽8mm，厚3mm的长条状，最后放在自制测量设备上弯曲，记录螺钉往下拧的深度（即挠度值）。三点弯曲法测量强度原理图如图3所示。
1.3.4电阻率的测量
采用惠根斯电桥法测量电阻R（Ω），再由公式：R=ρ×L/S，可求得电阻率ρ=R×S/L，再由公式G=1/ρ，可求得电导率G。测量电阻时先将试样切下一小片，利用XQ-2型金相试样镶嵌机镶嵌好试样小片，把小片磨成厚度0.5mm，再采用线切割切下小片中间一小条（宽度1mm），这样制好的电阻样条就相当于一个小电阻。
2、实验结果讨论
2.1 添加剂钛对电镀Ni和电镀Cu处理的Cf-Cu复合材料的摩擦性能影响
以下曲线图分别是Cf-Cu复合材料在电镀Ni和电镀Cu的情况下，磨制時间（h）与磨损量（g）的关系曲线：
根据图4、图5可知，添加剂钛对电镀Ni处理的Cf-Cu复合材料在干磨时，坯体的重量在减轻，湿磨时，坯体的重量在增加，并且随着钛粉的加入，Cf-Cu复合材料的摩擦性能也在增强，从曲线图还可看出湿磨时，加入了添加剂钛粉的坯体的重量增加幅度较大。理论分析：a.在干磨时磨损了表面一层金属，使得重量下降，湿磨时虽然也会磨损，但由于坯体表面有裂痕，使得一部分机油会浸入坯体导致它的重量会随磨制时间延长而增加；b.添加了钛粉会促进铜基体与碳纤维的润湿，它可以使复合材料在烧结过程中由于扩散作用电子定向迁移的阻力减小；c.钛的加入在摩擦面上容易形成碳纤维润滑膜，使磨损量减小。
根据图6、图7可知，钛粉对电镀Cu处理的Cf-Cu复合材料在干磨时重量在减小，湿磨时重量在增加，但增加的幅度很小。当加入添加剂钛粉时，从图7还可看出，坯体的重量增加的较大。理论分析：a.在干磨时磨损了表面一层金属，使得重量下降，湿磨时虽然也会磨损，但由于坯体表面有裂痕，使得一部分机油会浸入坯体导致它的重量会随磨制时间而增加；b.添加钛元素是促进铜基体与碳纤维润湿的有效途径，它可以使复合材料在烧结过程中由于扩散作用电子定向迁移的阻力减小；c.钛元素在摩擦面上容易形成碳纤维润滑膜，使磨损量减小；d.碳纤维具有耐磨损，热膨胀系数小，自润滑和吸能抗震等一系列优点。
2.2 添加剂钛对电镀Ni和电镀Cu处理的Cf-Cu复合材料的强度性能影响
以下曲线图分别是Cf-Cu复合材料在电镀Ni和电镀Cu的情况下，碳纤维含量（%）与其强度（Mpa）的关系曲线：
从图8、9看出，1）在一定范围内不管是镀镍还是镀铜处理的Cf-Cu复合材料，无论是添加钛粉还是不添加，它们的强度均随碳纤维含量的增加而增大；2）在镀镍处理的Cf-Cu复合材料中加入添加剂钛时，强度要比没有加钛时小，而在镀铜处理的Cf-Cu复合材料中相反。理论分析：a.碳纤维铜复合材料界面是一种以机械结合为主的物理结合，这种结合的界面结合强度低，但是在复合材料中镀镍或者镀铜处理，会使界面形成C-Ni或C-Cu互扩散结合特性。导致复合材料的强度增加；b.在电镀铜处理的Cf-Cu复合材料中钛元素与铜之间的润湿性更好。
2.3添加剂钛对电镀Ni和电镀Cu处理的Cf-Cu复合材料的电导率的影响
以下曲线图分别是Cf-Cu复合材料在电镀Ni和电镀Cu的情况下，材料中碳纤维含量（%）与其电阻率（欧米）的关系曲线：
从图10、11可以看出，1）无论是镀镍还是镀铜处理的Cf-Cu复合材料的电阻率均随碳纤维含量的增加而增大。2）在碳纤维含量相同的条件下，不管在镀镍还是镀铜处理的Cf-Cu复合材料中加入添加剂钛，复合材料的电阻率会减小。理论分析：1）在碳纤维铜复合材料中加入镍或铜元素时，一方面镍（铜）是金属元素，金属镍（铜）元素电离出自由电子导致自由电子密度的增加。另一方面复合材料的几何界面减少，对自由电子的散射减少。使得复合材料的电阻率增加。2）当加入钛粉时，钛元素会在镀层界面上对镀层金属电离出来的电子的散射起促进作用，导致复合材料的电阻率减小。
3、结论
（1）加入添加剂Ti粉后，碳纤维铜复合材料的摩擦性能增强。
（2）加入添加剂Ti粉后，碳纤维铜复合材料的强度增强。
（3）加入添加剂Ti粉后，碳纤维铜复合材料的电阻率下降。■