[发明专利]一种纳米铁纤维的制备方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及纳米材料领域，尤其是涉及一种纳米铁纤维的制备方法。

 

背景技术

摩擦材料在机械行业具有广泛的应用，而石棉作为一种增强材料被广泛用于摩擦材料的生产与使用，尤其是应用于机械制动方面，例如制造各种制动闸和刹车片。

目前的汽车运行速度越来越快，制动频率和强度都有很大提高，制动时产生的热量就更大，摩擦面的温度也越来越高，由于石棉纤维的导热能力差，在摩擦过程中，往往会产生大量的热量，若作用时间稍长，就会在摩擦面片之间聚集大量的热量，聚集的热量若不能被及时导出就会促进面片表面温度的急剧升高，温度升高到一定的极限时面片会发生热衰退现象，导致摩擦系数的下降及摩擦面片的磨损，缩短了摩擦面片的使用寿命，因此反复制动会使热量在含有石棉纤维的刹车片中堆积起，当刹车片变热后，会使刹车片的摩擦系数下降，使刹车片产生磨损，从而导致制动性能降低，若要产生同样的摩擦和制动力需要更多的踩刹车次数，如果刹车片达到一定热度，会导致制动失灵，存在一定的安全隐患。因此就要求刹车片具有更好的抗热衰退性和耐磨性，使刹车片在任何制动条件下，都能保持比较稳定的摩擦系数。另外，石棉纤维对环境的危害性也使它的应用日益受到限制。

而纳米金属纤维材料由于其自身的特性以及安全、环保等的优点，取代石棉纤维加入到摩擦材料中后，可以使含有金属纤维的复合摩擦材料不仅具有较稳定的摩擦系数与较好的热衰退性，而且还具有高韧性和高冲击性能，因此随着对摩擦材料对环保、耐久性等方面提出的要求越来越高，含有金属纤维的复合摩擦材料正在逐渐替代含有石棉纤维的传统摩擦材料。

含有纳米铁纤维的复合摩擦材料是其中的一类，超细的纳米铁纤维与各向同性材料相比，表面积非常大，强度高，将纳米铁纤维加入摩擦材料，使其与摩擦材料能产生互锁效应，形成大量的接触界面，纳米铁纤维的变形量越大，接触界面越大，加入到摩擦材料中后，与摩擦材料基体之间的接触面积也就越大，使得界面的强化作用越明显，通过纳米铁纤维与摩擦材料发挥协同作用，能起到错位强化的效果，可提高摩擦材料的耐磨性及强度。

中国专利授权公告号：CN1225335C，授权公告日2005年11月2日，公开了一种纳米尺寸金属短纤维及其制造方法。本发明的纳米尺寸金属短纤维,其直径为5～100纳米，纤维的长度直径比为10～1000。所说的金属包括Cu、Ag、Ni、Fe或Al中的一种。制备方法包括以下步骤：具有成型腔的纳米金属微纤的制备、纳米微纤的成型和后处理。通过置换使溶液中的金属单质析出，析出的单质沉积在纤维孔内自然形成与孔洞形状相似的金属纳米纤维。其不足之处是，不仅工艺较为繁琐复杂，形成的纳米金属纤维直径不均匀，且为金属短纤维，变形量不够大，添加至摩擦材料中后，接触界面不够大，界面增强效果不明显。

 

发明内容

本发明是为了克服现有技术制备纳米铁纤维的工艺较为繁琐复杂，且形成的纳米铁纤维直径不均匀，且为短纤维，添加至摩擦材料中后，接触界面不够大，界面增强效果不明显的不足，提供了一种制作工艺简单且易于控制，杂质含量少的纳米铁纤维的制备方法。

 

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种纳米铁纤维的制备方法，包括以下步骤：

（1）将铁与铜置于真空感应炉中，在0.1-0.3 Pa大气压下加热至1300-1600℃熔化，铁与铜的重量比为1:2-20，铁的纯度≥99.99%，铜的纯度≥99.98%。铁和铜的密度比较接近，则将铁与铜一起熔化后液态铁与铜的溶混间隙小，可使铁在铜中均匀分布，因此选择将铁熔于铜中；若加入的铁与铜的比例过高，会使浇铸成的铸锭脆性较大，在拉拔过程中，易造成纳米铁纤维的断裂，形成纳米纤维晶粒，若铁加入量过少，得到的纳米铁纤维含量过少，加入铁与铜的重量比为1:2-20为本发明的一个优选范围；另外，铁与铜熔点均在1600℃以下，熔点比较低，而且氧气的存在会导致铜与铁的氧化，增加纳米铁纤维中杂质的含量，还能严重削弱纳米铁纤维的韧性，因此要需要抽真空以减少氧气的含量，选用在真空感应炉中进行熔炼，不仅炉温可以控制，而且还可以抽真空，另外，真空感应炉还能使铁与铜混合更加均匀。

（2）将熔化的铁与铜搅拌均匀后静止2-4min，再向真空感应炉内充Ar至30-50kPa，浇铸得到Cu-Fe复合材料的铸锭。充Ar以赶尽真空感应炉内的氧气，减少杂质的产生，而搅拌均匀后浇铸得到的含铁的铜基复合材料中，铁的分布更加均匀。