CN101029359A - 化学共沉积制备纳米金刚石增强铜基复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种化学共沉积法制备纳米金刚石(ND)增强铜基复合材料的方法，属于铜基复合材料的制备技术。该方法包括过程如下：ND粉在H2SO4/HNO3混合酸中浸泡处理后，在质量浓度为80％HF中超声分散使其表面功能化。再将功能化后的纳米金刚石分散于无水乙醇中，加入Cu(NO3)2·3H2O，继续超声分散后形成稳定的悬浊液。向混合液中滴加氨水，形成Cu(OH)2和ND的共沉积体。然后将共沉积体加热烘干，再经煅烧生成CuO和ND混合粉；然后用氢气还原生成Cu和ND混合粉；对制得的混合粉经初压、烧结、复压，得到ND/Cu复合材料。本发明优点是采用化学共沉积工艺，提高了纳米金刚石在铜基体中的分散均匀性，基体与增强体浸润性好，界面无污染，结合强度高，因而所制得的复合材料具有很好的综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种化学共沉积制备纳米金刚石增强铜基复合材料的方法，属于铜基复合材料的制备技术。
背景技术
高强度高导电铜基复合材料是一类具有优良综合性能的新型功能材料，既具有优良的导电性，又具有高的强度和耐高温性能。为制备出性能优良的铜基复合材料，增强相的选择是至关重要的。纳米金刚石具有很多优异的性能，如高硬度，高热导率，低热膨胀系数，低摩擦系数等。纳米金刚石的高温热稳定性好，同时热膨胀系数又与铜非常接近，这些良好的力学性能和热物理性能，使其成为制备高强度高导电性铜基复合材料的增强相之一。当前，此类复合材料的制备方法主要采用传统的机械混合法，这种方法制备的复合材料增强体与基体间浸润性差，界面结合强度不高，从而影响增强效果及复合材料的综合性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种化学共沉积工艺制备纳米金刚石增强铜基复合材料的方法，该方法制备工艺简单，所制备的复合材料综合性能优异。
本发明是通过下述技术方案加以实现的，一种化学共沉积制备纳米金刚石增强铜基复合材料的方法，其特征在于包括以下过程：
1.将平均粒径为5～10nm的纳米金刚石粉加入到体积比3∶1的H2SO4/HNO3混合酸中浸泡2～3h，然后滤出金刚石粉，用去离子水洗至中性。
2.将步骤1处理的纳米金刚石粉加入到10～20ml质量浓度为80％HF酸中在70～80℃超声分散10～12小时进行表面功能化处理。然后滤出金刚石粉，用去离子水洗至中性。
3.按照每克纳米金刚石粉加入100～150ml无水乙醇的比例，将步骤2处理的纳米金刚石粉加入到无水乙醇中室温超声分散1～2小时形成稳定的悬浊液。
4.按照纳米金刚石粉与硝酸铜的质量比为1∶(43～374)的比例，向步骤3制备的悬浊液中加入Cu(NO3)2·3H2O在40～45℃继续超声分散1～2小时。
5.向步骤4制得的混合液中滴加氨水，滴加至不再产生蓝色沉淀物为止，静置1～2h后，在干燥箱中100～105℃烘干。然后，以升温速率为15～25℃/min升温至500～505℃煅烧1～1.5h，生成氧化铜和纳米金刚石混合粉。再以升温速率为10℃/min升至599～600℃，并以氢气流量为2～3ml/s还原1～1.5h，生成铜和纳米金刚石混合粉。
6.对步骤5制得的铜和纳米金刚石混合粉经过300～400MPa初压，保压时间60～120s，再经过升温速率为10～15℃/min升至950～1000℃，烧结1～1.5h，然后在1000～1200MPa复压，保压时间为60～120s，得到纳米金刚石增强铜基复合材料。
本发明的优点在于，采用化学共沉积工艺，提高了纳米金刚石在铜基体中的分散均匀性，起到弥散强化作用，基体与增强体浸润性好，界面无污染，因而所制得的铜基复合材料硬度高，电性能好，具有很好的综合性能。
附图说明
图1为本发明实例1、2、3、4制备的分别含有1wt％，3wt％，5wt％，8wt％的纳米金刚石铜基复合材料的显微维氏硬度和相对电导率曲线图。
图中
表示纳米金刚石铜基复合材料的显微维氏硬度曲线，图中
表示纳米金刚石铜基复合材料的相对电导率曲线。
图2为本发明实例2制备的含有3wt％纳米金刚石的铜粉末的SEM图，图中的白色小颗粒为纳米金刚石颗粒，其余黑色部分为铜颗粒。
图3为本发明实例2制备的3wt％纳米金刚石铜基复合材料的金相图。
具体实施方式
实例1.将0.03g平均粒径为5～10nm的纳米金刚石粉加入到30ml H2SO4和10mlHNO3的混合酸中浸泡2h。然后离心分离出纳米金刚石粉，用1000ml去离子水洗至中性后，将纳米金刚石粉加入到10ml的质量浓度为80％HF酸中在70℃超声分散(超声电功率为200W，工作频率为40kHz)12h进行表面功能化处理。处理结束后再用去离子水洗至中性。然后将预处理后的纳米金刚石加入到100ml无水乙醇溶液中室温继续超声分散1h，向所得悬浊液中加入11.212g Cu(NO3)2·3H2O，40℃继续超声分散1h。滴定氨水至不再产生蓝色沉淀物，然后静置1～2h，在100℃烘干。烘干物以升温速率为15～25℃/min升温至500℃煅烧1h，再以升温速率为10℃/min升至600℃，并以氢气流量为2～3ml/s还原60min，得到铜和纳米金刚石混合粉体。混合粉体经过300MPa压制60s后，再以升温速率为10℃/min升至1000℃，烧结1.5h，最后以1000MPa压制60s后，得到1wt％纳米金刚石增强铜基复合材料。
实例2.将0.09g平均粒径为5～10nm的纳米金刚石粉加入到30ml H2SO4和10mlHNO3的混合酸中浸泡2h。然后离心分离出纳米金刚石粉，用1000ml去离子水洗至中性后，将纳米金刚石粉加入到20ml的质量浓度为80％HF酸中在70℃超声分散(超声电功率为200W，工作频率为40kHz)12h进行表面功能化处理。处理结束后再用去离子水洗至中性。然后将预处理后的纳米金刚石加入到100ml无水乙醇溶液中室温继续超声分散1h，向所得悬浊液中加入10.985g Cu(NO3)2·3H2O，40℃继续超声分散1h。滴定氨水至不再产生蓝色沉淀物，然后静置1～2h，在100℃烘干。烘干物以升温速率为15～25℃/min升温至500℃煅烧1h，再以升温速率为10℃/min升至600℃，并以氢气流量为2～3ml/s还原60min，得到铜和纳米金刚石混合粉体。混合粉体经过300MPa压制60s后，再以升温速率为10℃/min升至1000℃，烧结1.5h，最后以1000MPa压制60s后，得到3wt％纳米金刚石增强铜基复合材料。
实例3.将0.15g平均粒径为5～10nm的纳米金刚石粉加入到30ml H2SO4和10mlHNO3的混合酸中浸泡2h。然后离心分离出纳米金刚石粉，用1000ml去离子水洗至中性后，将纳米金刚石粉加入到20ml的质量浓度为80％HF酸中在70℃超声分散(超声电功率为200W，工作频率为40kHz)12h进行表面功能化处理。处理结束后再用去离子水洗至中性。然后将预处理后的纳米金刚石加入到100ml无水乙醇溶液中室温继续超声分散1h，向所得悬浊液中加入10.759g Cu(NO3)2·3H2O，40℃继续超声分散1h。滴定氨水至不再产生蓝色沉淀物，然后静置1～2h，在100℃烘干。烘干物以升温速率为15～25℃/min升温至500℃煅烧1h，再以升温速率为10℃/min升至600℃，并以氢气流量为2～3ml/s还原60min，得到铜和纳米金刚石混合粉体。混合粉体经过300MPa压制60s后，再以升温速率为10℃/min升至1000℃，烧结1.5h，最后以1000MPa压制60s后，得到5wt％纳米金刚石增强铜基复合材料。
实例4.将0.24g平均粒径为5～10nm的纳米金刚石粉加入到30ml H2SO4和10mlHNO3的混合酸中浸泡2h。然后离心分离出纳米金刚石粉，用1000ml去离子水洗至中性后，将纳米金刚石粉加入到20ml的质量浓度为80％HF酸中在70℃超声分散(超声电功率为200W，工作频率为40kHz)12h进行表面功能化处理。处理结束后再用去离子水洗至中性。然后将预处理后的纳米金刚石加入到150ml无水乙醇溶液中室温继续超声分散1h，向所得悬浊液中加入10.419g Cu(NO3)2·3H2O，40℃继续超声分散1h。滴定氨水至不再产生蓝色沉淀物，然后静置1～2h，在100℃烘干。烘干物以升温速率为15～25℃/min升温至500℃煅烧1h，再以升温速率为10℃/min升至600℃，并以氢气流量为2～3ml/s还原60min，得到铜和纳米金刚石混合粉体。混合粉体经过300MPa压制60s后，再以升温速率为10℃/min升至1000℃，烧结1.5h，最后以1000MPa压制60s后，得到8wt％纳米金刚石增强铜基复合材料。
Claims (1)
1.一种化学共沉积制备纳米金刚石增强铜基复合材料的方法，其特征在于包括以下过程：
(1)将平均粒径为5～10nm的纳米金刚石粉加入到体积比3∶1的H2SO4/HNO3混合酸中浸泡2～3小时，然后滤出金刚石粉，用去离子水洗至中性；
(2)将步骤(1)处理的纳米金刚石粉加入到10～20ml质量浓度为80％HF酸中在70～80℃超声分散10～12小时进行表面功能化处理，然后滤出金刚石粉，用去离子水洗至中性；
(3)按照每克纳米金刚石粉加入100～150ml无水乙醇的比例，将步骤(2)处理的纳米金刚石粉加入到无水乙醇中室温超声分散1～2小时形成稳定的悬浊液；
(4)按照纳米金刚石与硝酸铜的质量比为1∶(43～374)的比例，向步骤(3)制备的悬浊液中加入Cu(NO3)2·3H2O在40～45℃继续超声分散1～2小时；
(5)向步骤(4)制得的混合液中滴加氨水，至不再产生蓝色沉淀物为止，静置1～2小时后，在干燥箱中100～105℃烘干，然后以升温速率为15～25℃/min升温至500～505℃煅烧1～1.5小时，生成氧化铜和纳米金刚石混合粉，再以升温速率为10℃/min升至599～600℃，并以氢气流量为2～3ml/s还原1～1.5小时，生成铜和纳米金刚石混合粉；
(6)对步骤(5)制得的铜和纳米金刚石混合粉经过300～400MPa初压，保压时间60～120秒，再经过升温速率为10～15℃/min升至950～1000℃，烧结1～1.5小时，然后在1000～1200MPa复压，保压时间为60～120秒，得到纳米金刚石增强铜基复合材料。
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