[发明专利]一种层状结构的铜-二硫化钨自润滑复合材料、制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种层状结构的铜‑二硫化钨(Cu‑WS₂)自润滑复合材料、制备方法及应用，属于金属基自润滑复合材料技术领域，Cu‑WS₂复合材料中二硫化钨层与铜层呈现出相互交叉叠加的形貌特征，所述复合材料中密实铜层厚度为10～100μm，二硫化钨层厚度为5～15μm。通过双向冷冻技术获得一个具有长程有序且层状结构的多孔二硫化钨支架，并采用真空浸渍将有机铜及其合金浆料渗入二硫化钨支架中，所得浸渗坯体通过SPS烧结制备出Cu‑WS₂复合材料。通过控制二硫化钨支架制备过程中的固相含量和有机铜浆的固相含量，可获得具有不同铜层和二硫化钨层厚度的铜基复合材料。本发明适宜于制备具有层状结构特性的复合材料。

技术领域

本发明涉及金属基自润滑复合材料制备技术领域，特别是涉及一种层状结构的铜-二硫化钨自润滑复合材料、制备方法及应用。

背景技术

金属基自润滑复合材料通常具有金属基体材料的优异力学性能和耐磨性能、固体润滑剂的良好润滑和减摩性能、以及材料可设计性大等特点，其在汽车、电子、航空、仪表等工业中拥有广阔的应用前景。铜基固体润滑材料是常用金属基自润滑材料之一，具有良好的导热性、导电性、耐蚀性，优良的工艺性能和适中的价格，常被用作于电接触、汽车发动机电刷、点焊电极工作端、连铸机结晶器等材料。金属基自润滑复合材料中润滑剂具有典型的二维特征，沿其(001)晶面滑移时能够获得更加优异的润滑性能且连续的润滑相能够使得材料的摩擦界面处形成一层稳定的转移层，从而提高材料的耐磨性能；但实现复合材料中润滑相的长程定向排列已成为现今研究的难点。

目前铜基固体润滑材料的制备方法主要有：粉末冶金法、液态金属搅拌法、液态金属挤压铸造法、真空压力浸渍法等。粉末冶金法因具有操作简单且材料组成可控性大等优点，被广泛应用于金属基复合材料的制备，但不能对各向异性的组元进行定向排列。液态金属搅拌法因需较高的热处理温度，而不能适用于易分解的复合材料制备。液态金属挤压铸造法虽在一定程度上能够实现颗粒的排列，但其尺度较小且较高的热处理温度和机械作用破坏了润滑剂的组成和形貌，从而影响复合材料的润滑性能。以上制备方法均不能实现润滑剂颗粒的长程定向排列，而真空压力浸渍法有望解决上述难题；其所用多孔预制体的结构特性及性能对复合材料的整体性能具有重要影响。现今制备多孔预制体的方法较多，如：溶体金属发泡、粉末冶金、3D打印等技术方法；除以上制备方法外，大量科研工作者试图采用晶体模板法获得具有层状结构且颗粒定向排列的支架材料。如Bouille等采用冰晶模板法实现了直径8采用、厚1厚用的片状BN颗粒的定向组装；随后徐建等对其进行真空浸渍聚二甲基硅氧烷(PDMS)获得了具有层状结构且颗粒定向排列的hBN/PDMS复合材料；但以上所获定向组装的多孔BN支架和复合材料层状结构区面积较小及定向排列性较低。固体润滑剂在金属基自润滑复合材料中分布的无序性和不连续性是导致复合材料润滑性能损失的一个重要原因，且实现复合材料中润滑剂颗粒的长程有序定向组装一直是个技术难题。

发明内容

为了实现复合材料中润滑剂颗粒的长程有序定向组装，本发明提供一种层状结构的铜-二硫化钨自润滑复合材料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种层状结构的铜-二硫化钨(Cu-WS₂)自润滑复合材料，所述层状结构的铜-二硫化钨自润滑复合材料包括层状分布的密实铜层以及二硫化钨片层，所述二硫化钨片层由定向排列的WS₂颗粒构成，所述密实铜层与所述二硫化钨片层交替排列成块体复合材料。

进一步地，所述密实铜层的厚度为5～300μ0，优选10～100μm，所述二硫化钨片层厚度为2～40μm，优选5～15μm。

进一步地，所述密实铜层的致密度高于99.0％，所述层状结构的铜-二硫化钨自润滑复合材料的致密度高于95.0％。

进一步地，所述WS₂颗粒沿着其(001)晶面排列于每个二硫化钨片层中。