CN103602850A - 一种高导电碳纳米管金属基复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高导电碳纳米管金属基复合材料，组成成分及其体积百分数为碳纳米管0.1～30%，金属70～99.9%，所述金属为铜、铝或者铜铝的合金。与未添加碳纳米管的材料相比，本发明的高导电碳纳米管金属基复合材料导电率可提高达10％以上。
Description
技术领域
本发明属于电工材料技术领域，涉及一种高导电碳纳米管金属基复合材料。
背景技术
铜、铝及其合金、复合材料是常用的金属导电材料。随着电力、电子器件向高性能、低损耗方向的发展，要求材料不仅具有良好的导电性、导热性、弹性极限和韧性，而且还应具有较好的耐磨性、较高的抗拉强度、较低的热膨胀系数和良好的成型性。因此,金属导电复合材料日益受到人们的关注和青睐。例如，高强度的金属导电复合材料：铝包钢、铜包钢；高电导率金属复合材料：铜包铝、银复铝；高弹性金属复合材料：铜复铍、弹簧铜复铜；耐高温金属复合材料：铝复铁、铝黄铜复铜、镍包铜、镍包银；耐腐蚀金属复合材料：不锈钢复铜、银包铜、镀锡铜、镀银铜包钢等。
按照产品使用环境不同，电力系统采用的电线电缆产品主要有架空裸电线、汇流排、电力电缆、分支电缆、电磁线以及电力设备用电气装备电线电缆等。其中，电力汇流排又称母线，是截面为矩形或倒角矩形的长导体，在电路中起输送电流和连接电气设备的作用。由于汇流排能通过大电流，电力损失少，且施工简单，所以其常用于高低压电器、配电设备、母线槽等电器工程中。
目前，国内市场上的电力汇流排主要采用铜材制作，称为铜汇流排。我国每年对包括汇流排在内的金属导电材料的需求量非常大。由于矿产资源性的短缺和消费快速增长的矛盾，致使铜价自2005年10月以来在全球范围实现了前所未有的大幅上涨。而铜材料在铜汇流排中所占的成本达到70%以上，从而使铜排的价格也大幅度上涨。相比之下，铝的价格变化相对平缓，且铝在自然界的含量非常高，目前铝材料的价格只相当于铜的三分之一左右。面对不断攀升的铜价和我国铜资源贫乏的实际，必须找到有效的解决方法和途径，降低铜的用量。一方面要提高铜及其合金的性能，另一方面要找到现有材料的替代品，如再生铜、铝及它们的合金或复合材料。
铝与铜相比，具有价格低，重量轻等优势，但不足之处是导电率和安全性方面略为逊色。一般铝芯截面是铜芯截面的1.5倍时才能达到同样的导电性能。除此之外，铝的强度、延展性及抗疲劳性能等比铜略低。因此，要想实现真正意义上的以铝代铜，就必须设法提高铝的导电性能以及相应的机械性能。
就材料本体而言，无论是铜基还是铝基材料，提高金属导体的电导率，减少因电阻引起的损耗，可以达到节能降耗、节材降低成本之目的，符合全球经济低碳、绿色发展要求，具有非常重要的经济价值和重大社会意义。
随着现代工业的飞速发展，铜/铝基导电材料的综合性能需满足更高的要求，各国均已致力开发高强高导金属基复合材料。按照制备方法大致可分为两种：一种是通过加入合金元素强化基体而形成合金，即合金化法；另一种是通过加入第二相形成金属基复合材料，即复合材料法。其中，碳纳米管金属复合材料引起人们的极大兴趣，取得了重要进展。值得注意的是，合金或复合材料强度等性能的提高在很大程度上均以牺牲导电率为代价，如何解决这一矛盾，将是铜/铝合金及其复合材料研究的关键课题。
碳纳米管(CNT)自1991年由日本学者ligima博士发现以来，以其特有的力学、电学和化学性能以及独特的准一维管状分子结构等特性成为化学、物理及材料科学等领域的研究热点。其应用研究己涉及到高性能复合材料、纳米电子器件、电池、超级电容器、场发射显示器、量子导线板、电子枪及传感器和显微镜探头、贮氢材料等领域。碳纳米管（CNT）不但具有石墨的本征特性（如耐热、耐腐蚀、强度高、自润滑性等），而且具有极高的长径比（100～1000）和超强的力学性能、高的电导率和热导率，低的热膨胀系数等特性。其中，碳纳米管优异的导电性使其成为导电聚合物的优选填充物。研究表明，在塑料中添加2%～3%的多壁CNTs可使其电导率提高14个数量级。利用CNTs与金属、陶瓷、聚合物混合，制备出具有特殊性能的复合材料正引起越来越多的关注。
近年来，CNTs在增强高分子复合材料方面取得了很大的进展，而在金属基复合材料中的研究和实际应用，也多以提高强度为目的，而以提高金属基体电导率的研究和应用仍鲜有报道。兼顾提高材料力学性能和导电性能，制备具有综合优异性能的碳纳米管金属基复合材料的研究更是无人报道。有的研究反而得到导电性降低的结果。例如，宋影影等人在石墨-铜基复合材料中加入碳纳米管后发现，由于碳纳米管与铜基体的亲和力较弱，无法与铜基体实现充分均匀的混合，在局部区域会形成团聚，导致材料成分不均匀，破坏基体的连续性，且碳纳米管的密度非常小，形成团聚的同时易产生微小的孔隙。在烧结过程中，孔隙中存在的气体受热发生膨胀，引起孔隙破裂，导致材料中出现更多更大的孔隙，最终导致复合材料导电性、硬度和抗弯强度都降低。
在我国已经申请的碳纳米管金属复合材料专利主要涉及增强和催化。在白耀文等人发明的专利“碳纳米管金属复合物及其制备方法”（申请号：200910106566.1）中指出，碳纳米管金属复合物具有导电性，可以提高微波吸收材料的导电性，增强其微波吸收的作用。但该专利并非针对金属导体材料。
当前作为导体材料的碳纳米管金属基复合材料还存在两个方面的主要问题。其一：CNTs具有极大的比表面积和表面能导致团聚现象严重，很难在金属基体中均匀分散，更难以在金属基体中实现定向排列；其二：对CNTs与基体金属的相容性和界面结构的变化规律、界面设计及性能调控方法尚缺乏研究。所以提高CNTs在金属基体中的分散性和CNTs与金属基体的界面结合，并控制其在金属基体中的定向排列是制备具有优异导电性能和力学性能的CNT/金属基复合材料的前提。
发明内容
为了解决现有碳纳米管金属基复合材料存在的技术问题，填补碳纳米管金属基复合材料作为电工材料的空白，本发明提供了一种高导电碳纳米管金属基复合材料，实现碳纳米管在铜/铝基体中良好的分散和定向，同时显著提高基础材料的电导率。
其技术方案如下：
一种高导电碳纳米管金属基复合材料，其特征在于，组成成分及其体积百分数为碳纳米管0.1～30%，金属70～99.9%，所述金属为铜、铝或者铜铝的合金。
所述碳纳米管为多壁碳纳米管和/或单壁碳纳米管。
与现有技术相比，本发明的有益效果：与未添加碳纳米管的材料相比，本发明的高导电碳纳米管金属基复合材料导电率可提高达10％以上。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
将0.2g碳纳米管置于丙酮中浸泡4h，浸泡过程中利用超声波使碳纳米管充分分散，纯化后的碳纳米管用蒸馏水充分滤洗；将纯化后的碳纳米管置于浓硝酸和浓硫酸1：1的混合溶液中进行粗化处理，然后将混酸溶液置于80℃水浴中加热20min，再超声波处理20min充分分散，最后将粗化处理完的碳纳米管用蒸馏水充分滤洗至中性；将粗化后的碳纳米管置于敏化液中浸泡处理1min，敏化过程中使用超声波或电磁搅拌充分分散，以达到最佳的敏化效果。敏化后使用蒸馏水将碳纳米管充分滤洗至中性；将敏化后的碳纳米管放入活化液中活化2小时，活化初期使用超声波或电磁搅拌充分分散15分钟，敏化后使用蒸馏水将碳纳米管充分滤洗至中性；将表面处理后的碳纳米管放入化学镀铜液中，充分反应时间约为90min，镀铜过程中保持强力电磁搅拌；将碳纳米管和铝复合粉末按质量比为10:1进行混合，加入一定量的钢球，球料比约10:1，放入球磨罐中以500r/min球磨1h；将球磨得到的复合粉末以400MPa压制成圆柱体，在氩气保护下630℃烧结1h，冷却后获得复合材料。测试其导电性能，其导电率为3.18×107S/m，与纯铝相比提高了3.92％。
实施例2
具体步骤同实施例1，不同的是采用的方法:把合金放入石墨柑塌中加热融化，并通入惰性气体。当温度达到760℃以上时，将处理过的碳纳米管加入到熔液中进行搅拌，搅拌速度2500r/min。保温10min后浇铸成直径90mm的合金棒，浇铸温度为690℃-720℃之间。测试其导电性能，其导电率为3.23×107S/m，与纯铝相比提高了5.56％。
实施例3
采用沉积-沉淀法制备了Ni(OH)2/Al二元胶体，然后对二元胶体进行脱水、还原制得不同Ni含量的Ni/Al催化剂，再采用CVD法以甲烷为碳源在Ni/Al催化剂中原位合成CNTs，制得CNTs(Ni)/Al复合粉末。将复合粉末与一定量的钢球混合，球料比约10:1，放入球磨罐中以500r/min球磨1h；将球磨得到的复合粉末以400MPa压制成圆柱体，在氩气保护下630℃烧结1h，冷却后获得复合材料测试其导电性能，其导电率为3.39×107S/m，与纯铝相比提高了10.78％。
实施例4
具体步骤同实施例1，不同的是采用的方法：将合金圆片和压制成形的预制件装入石墨坩埚，将装有样品的坩埚小心的推入管式炉内，封闭炉门，通入氮气检查气密性。然后打开真空泵抽真空30min，通入高纯氮气，使炉内气压保持在0.1-0.2MPa之间。最后升温到设定温度保温一定时间后停止加热，待冷却到室温时取出坩埚，脱模后将预制件上下两面粘结的剩余铝合金剥离或机加工除去，得到复合材料样品。测试其导电性能，其导电率为3.28×107S/m，与纯铝相比提高了7.19％。
实施例5
将0.2g碳纳米管置于丙酮中浸泡4h，浸泡过程中利用超声波使碳纳米管充分分散，纯化后的碳纳米管用蒸馏水充分滤洗；将纯化后的碳纳米管置于浓硝酸和浓硫酸1：1的混合溶液中进行粗化处理，然后将混酸溶液置于80℃水浴中加热20min，再超声波处理20min充分分散，最后将粗化处理完的碳纳米管用蒸馏水充分滤洗至中性；将粗化后的碳纳米管使用超声波或电磁搅拌充分分散，以获得高分散的碳纳米管悬浮液，在悬浮液中加入少量的Mg(NO3)2·6H2O电解质溶液，获得碳纳米管电泳液；将表面处理后的碳纳米管放入AgNO3电镀铜液中，反应时间为45s，电镀电流密度是lmA/cm2，电镀电压是10V的直流电压；将碳纳米管和铝复合粉末按质量比为10:1进行混合，加入一定量的钢球，球料比约10:1，放入球磨罐中以500r/min球磨1h；将球磨得到的复合粉末以400MPa压制成圆柱体，在氩气保护下630℃烧结1h，冷却后获得复合材料。测试其导电性能，其导电率为3.20×107S/m，与纯铝相比提高了4.58％。
以上所述，仅为本发明最佳实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种高导电碳纳米管金属基复合材料，其特征在于，组成成分及其体积百分数为碳纳米管0.1～30%，金属70～99.9%，所述金属为铜、铝或者铜铝的合金。
2.根据权利要求1所述的高导电碳纳米管金属基复合材料，其特征在于，所述碳纳米管为多壁碳纳米管和/或单壁碳纳米管。
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