碳纤维增强金属基复合材料

表1 银触头材料的物理性能

 

图1 碳纤维-Cu复合材料热膨胀系数
             与纤维含量关系

表2 银触头的电磨损性能

表3 纤维增强铜基复合材料的抗拉强度

　　银基复合材料

　　在电路中触头是不可或缺的零件，是一种关键产品，要求材料具有良好的导电性、抗熔焊性，又要有坚强的耐电磨损性与机械磨损性。获得广泛应用的主要是以银为基体的复合材料，一般采用粉末冶金把有良好导电性、化学稳定性的银（Ag）与高熔点、抗磨的组成配制后经烧结而成，如银-石墨、银-钨、银-氧化锌等都是常用的触头材料。

　　碳纤维不仅有高的强度性能与弹性模量，而且也有较好的导电、导热性能。采用碳纤维作为触头材料增强体，通过适当的复合工艺制备的触头，不但触头有良好的电学与力学性能，而且使用期也显著延长。银触头材料的物理性能见表1。银-碳纤维3的含银量与银-石墨5的相等，在电阻率相近时，却有高得多的硬度；与银-氧化锌相比，它们的硬度相等，但银-碳纤维3的电阻率却小一些。银-碳纤维3与银-石墨5的电磨损性能见表2，配对的电触头都是银-氧化锌，银-石墨5的电磨损量比银-碳纤维3的大得多。

　　铜基复合材料

　　碳纤维增强的铜基复合材料的优点多多，既有铜的导电、导热性能，又有碳纤维的自润滑、抗磨、线胀系数小等特点，因而应用于制备滑动电触头、电刷、电力半导体支撑电极、集成电路散热板等，例如，在集成电路装置的Al2O3绝热板里面的固定散热板，一般都用高传导材料银或铜制造，可是它们的线胀系数与绝热板的相差大，易弯曲，使绝热板断裂，若采用线胀系数与Al2O3的相近的碳纤维-铜基复合材料制造，就不会发生断裂现象。图1表示碳纤维-铜基复合材料的线胀系数与碳纤维含量、分布方式的关系。可以看出，复合材料的线胀系数的可调范围相当大。

　　在实验室沉积8h制得的碳纤维/ Cu基复合材料的抗拉强度见表3，若进一步提高Cuf/Cu复合材料中的Cu纤维（Cuf）含量，将会有更多Cu纤维桥接、拔出，对强度提高有利；Cuf/Cu复合材料有相当高的致密度，且纤维与镀层及基体的匹配良好，因而具有更高的抗拉强度。优化沉积条件还可以进一步提高其致密度，获得更大的抗拉强度。研究表明，电化学沉积的Cuf/Cu复合材料，在600℃～700℃压制后，其抗拉强度可高达600MPa～680MPa，因为热压可进一步提高复合材料致密度，消除针孔、微裂纹等缺陷。

　　电车及电气机车上的滑块是一种易损零件，碳纤维/铜基复合材料是制造滑块的上乘材料，过去用金属与碳块制造，但不尽人意，改用碳纤维/铜基复合材料后，许多问题都迎刃而解，因为这种材料有优秀的润滑性和高的抗磨性、接触电阻小、不会过热、强度高、还可承受高的过载电流。

　　铅基复合材料

　　铅的密度大、抗辐射、抗强酸是其优点，是铅酸蓄电池的关键材料，没有铅，汽车就跑不起来了，但铅的密度大、强度低是其致命弱点，它的密度大，高达11.68g/cm3，而抗拉强度低，只有25MPa。碳纤维的抗拉强度为纯铅的100倍，而密度只有铅的1/7，所以用碳纤维/铅基复合材料制造蓄电池的板栅，其抗拉强度比普通板栅的提高1.5倍，质量减轻了35%，蓄电池的性能有显著提高。