CN103981393B - 碳纳米管‑金属复合增强铜基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳纳米管‑金属复合增强铜基复合材料及其制备方法，属于复合材料的制备领域。以含金属元素和铜离子的可溶性盐类、碳纳米管为原料配置成溶胶，将溶胶在喷雾干燥机下喷雾造粒得到纳米级别的混合粉末，将混合粉末在无氧气氛下煅烧得到黑色粉体，将黑色粉体在氢气气氛下还原得到碳纳米管‑金属元素复合增强铜基粉末，将复合粉末等静压成型后在氢气气氛下烧结，得到金属元素X在0.1~2wt%，碳纳米管在0.1~2wt%的碳纳米管‑金属元素复合增强铜基复合材料。本发明可形成相应的碳化物，改善了增强体与铜基体的界面结合差导致增强体团聚的问题，能获得综合性能优异的铜基复合材料。
Description
技术领域
本发明属于复合材料及其制备的技术领域，特别涉及一种碳纳米管-金属复合增强铜基复合材料及其制备方法。
背景技术
铜以其高导电性、高导热性及良好的延展性等特性成为最实用的纯金属之一。但铜的硬度和屈服强度较低，抗蠕变性能和抗熔焊性能也较差，因此制约着它在电子、电器及其他一些工业领域中的应用。从20世纪60年代开始就有研究者在铜基体中添加增强体来制备出较高强度和耐磨性的铜基复合材料，同时保持了铜基体的优良导电导热性。目前，常见的增强体材料有：①氧化铝纤维、碳纤维、硼纤维等纤维类增强体；②氧化物（Al2O3、BeO2）晶须、非氧化物（SiC、N4）晶须和金属（如Cu、Fe、Ni、Cr等）晶须等晶须类增强体；③氧化物、碳化物、氮化物、硼化物，如Al2O3、ZrO2、SiC、WC、TiC、AlN、Si3N4、TiB2等）陶瓷类颗粒增强体；④石墨、金属间化合物（FeAl、MoSi2等颗粒）、金属元素（W、Mo等）颗粒类增强体。
要得到性能优良的铜基复合材料，必须保证增强体在铜基体中的均匀分布，并且在界面处保持良好的结合，制备铜基复合材料的方法有很多，常用的有粉末冶金法、机械合金化法、内氧法、原位自生成法、化学包裹法、无压浸渗法、搅拌铸造法等，不同的增强体材料选择不同的制备方法来制备铜基复合材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种碳纳米管-金属复合增强铜基复合材料及其制备方法，可制造出增强体在铜基体中均匀分布，综合性能优异的铜基复合材料。
为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：
一种碳纳米管-金属复合增强铜基复合材料，所述金属元素X为铁（Fe）、钨（W）、钛（Ti）和钼（Mo）中的一种或两种组合或多种组合，其在铜基复合材料中所占质量百分比为0.1%~2% 。
所述碳纳米管（CNTs）的平均直径为40~60nm，平均长度5~15μm，其在铜基复合材料中所占质量百分比为0.1%~2% 。
其中所述碳纳米管-金属元素在铜基复合材料中所占质量百分比为0.2%~4%。
本发明的碳纳米管-金属复合增强铜基复合材料的制备方法主要的工艺流程是：溶胶制备→喷雾造粒→煅烧→还原→压制成型→气氛烧结→得到碳纳米管-金属复合增强铜基复合材料。具体按照以后步骤完成：
（1）将含金属元素X的可溶性盐类与含铜离子（Cu2+）的可溶性盐类按照0.1~2wt%的金属元素X、96~99.8wt%的铜（Cu）的比例添加到去离子水中配置成相应的混合溶液，所述的金属元素X为铁（Fe）、钨（W）、钛（Ti）和钼（Mo）元素中的一种或两种组合或多种组合；
（2）将0.1~2wt%混酸纯化处理后的碳纳米管（CNTs）添加到步骤（1）的混合溶液中，超声处理0.5~3小时，获得溶胶；
（3）将步骤（2）的溶胶在喷雾干燥机下进行喷雾造粒，获得纳米级别的混合粉末；
（4）将步骤（3）得到的混合粉末在无氧气氛，500℃~700℃温度下煅烧，煅烧时间为0.5~3小时得到黑色粉体；
（5）将煅烧后的黑色粉体在氢气气氛，300℃~600℃温度下还原，还原时间为2~6小时，得到碳纳米管-金属元素和铜的复合粉末；
（6）将步骤（5）得到的复合粉末在100~300MPa压力下进行等静压压制，保压时间为2~10分钟；
（7）将步骤（6）获得的压坯在氢气气氛，800℃~1100℃温度下烧结1~3小时，得到碳纳米管-金属复合增强铜基复合材料。
所述的可溶性盐类为氯化物、硝酸盐、硫酸盐、钨酸盐中的一种或两种组合或多种组合。
所述碳纳米管（CNTs）的混酸纯化处理过程为：CNTs经体积比H2SO4：HNO3为1:3的混酸纯化，再经洗涤、过滤、干燥处理。
采用以上技术方案后，本发明的优点及有益效果在于：采用碳纳米管-金属复合增强铜基复合材料，可形成相应的碳化物，改善了增强体与铜基体的界面结合差导致增强体团聚的问题，能获得综合性能优异的铜基复合材料，同时，此制备方法工艺简单、生产效率高，可用于工业化生产。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详述。
对原材料的化学成分要求如下：
| 药品名称 | 分子量 | 纯度等级 |
| 九水合硝酸铁 | 403.99 | 分析纯AR |
| 三水合硝酸铜 | 241.60 | 分析纯AR |
实施例1
本实施例中制取的碳纳米管-金属复合增强铜基复合材料的组份为：Cu-0.1wt%CNTs-0.1wt%Fe，其中所述碳纳米管的平均直径为40~60nm，平均长度为5~15μm。具体工艺和步骤如下：
按照Fe在铜基复合材料中的质量分数为0.1%的配比，分别称取九水合硝酸铁、三水合硝酸铜为0.7234g、379.4366g添加到适量去离子水中，不断搅拌，使其完全溶解，得到混合溶液。再将0.1000g混酸纯化处理后的碳纳米管（CNTs）添加到混合溶液中；碳纳米管的混酸纯化处理过程为：CNTs经体积比H2SO4：HNO3为1:3的混酸纯化，再经洗涤、过滤、干燥处理（以下各实施例相同）。之后，超声处理1小时，获得溶胶。将溶胶在喷雾干燥机下喷雾造粒，得到纳米级别的混合粉末。
混合粉末先在氮气气氛，650℃温度下煅烧2.5小时得到黑色粉体；再将黑色粉体在氢气气氛，400℃温度下还原2小时，得到Cu-CNTs-Fe的复合粉末；将复合粉末在250MPa压力下进行等静压压制，保压时间为5分钟，得到压坯；将压坯在氢气气氛，900℃温度下烧结1.5小时，完成后随炉冷却至室温，得到CNTs-Fe复合增强铜基复合材料。
实施例2
本实施例中制取的碳纳米管-金属复合增强铜基复合材料的组份为：Cu-0.1wt%CNTs-1wt%Fe，其中所述碳纳米管的平均直径为40~60nm，平均长度为5~15μm。具体工艺和步骤如下：
按照Fe在铜基复合材料中的质量分数为1%的配比，分别称取九水合硝酸铁、三水合硝酸铜为7.2334g、376.0148g添加到适量去离子水中，不断搅拌，使其完全溶解，得到混合溶液。再将0.1000g混酸纯化处理后的碳纳米管（CNTs）添加到混合溶液中，超声处理1小时，获得溶胶。将溶胶在喷雾干燥机下喷雾造粒，得到纳米级别的混合粉末。
混合粉末先在氮气气氛，600℃温度下煅烧3小时得到黑色粉体；再将黑色粉体在氢气气氛，450℃温度下还原3小时，得到Cu-CNTs-Fe的复合粉末；将复合粉末在200MPa压力下进行等静压压制，保压时间为5分钟，得到压坯；将压坯在氢气气氛，1050℃温度下烧结2小时，完成后随炉冷却至室温，得到CNTs-Fe复合增强铜基复合材料。
实施例3
本实施例中制取的碳纳米管-金属元素复合增强铜基复合材料的组份为：Cu-1wt%CNTs-1wt%Fe，其中所述碳纳米管的平均直径为40~60nm，平均长度为5~15μm。具体工艺和步骤如下：
按照Fe在铜基复合材料中的质量分数为1%的配比，分别称取九水合硝酸铁、三水合硝酸铜为7.2334g、372.5931g添加到适量去离子水中，不断搅拌，使其完全溶解，得到混合溶液。再将1.0000g混酸纯化处理后的碳纳米管（CNTs）添加到混合溶液中，超声处理1小时，获得溶胶。将溶胶在喷雾干燥机下喷雾造粒，得到纳米级别的混合粉末。
混合粉末先在氮气气氛，600℃温度下煅烧3小时得到黑色粉体；再将黑色粉体在氢气气氛，450℃温度下还原3小时，得到Cu-CNTs-Fe的复合粉末；将复合粉末在250MPa压力下进行等静压压制，保压时间为5分钟，得到压坯；将压坯在氢气气氛，1000℃温度下烧结1小时，完成后随炉冷却至室温，得到CNTs-Fe复合增强铜基复合材料。
实施例4
本实施例中制取的碳纳米管-金属元素复合增强铜基复合材料的组份为：Cu-1wt%CNTs-0.1wt%Fe，其中碳纳米管的平均直径为40~60nm，平均长度为5~15μm。具体工艺和步骤如下：
按照Fe在铜基复合材料中的质量分数为0.1%的配比，分别称取九水合硝酸铁、三水合硝酸铜为0.72334g、376.0148g添加到适量去离子水中，不断搅拌，使其完全溶解，得到混合溶液。再将1.0000g混酸纯化处理后的碳纳米管（CNTs）添加到混合溶液中，超声处理1小时，获得溶胶。将溶胶在喷雾干燥机下喷雾造粒，得到纳米级别的混合粉末。
混合粉末先在氮气气氛，700℃温度下煅烧3小时得到黑色粉体；再将黑色粉体在氢气气氛，450℃温度下还原3小时，得到Cu-CNTs-Fe的复合粉末；将复合粉末在250MPa压力下进行等静压压制，保压时间为5分钟，得到压坯；将压坯在氢气气氛，1050℃温度下烧结2.5小时，完成后随炉冷却至室温，得到CNTs-Fe复合增强铜基复合材料。
实施例5
本实施例中制取的碳纳米管-金属元素复合增强铜基复合材料的组份为：Cu-2wt%CNTs-2wt%Fe，其中碳纳米管的平均直径为40~60nm，平均长度为5~15μm。具体工艺和步骤如下：
按照Fe在铜基复合材料中的质量分数为2%的配比，分别称取九水合硝酸铁、三水合硝酸铜为7.2335g、357.3852g添加到适量去离子水中，不断搅拌，使其完全溶解，得到混合溶液。再将2.0000g混酸纯化处理后的碳纳米管（CNTs）添加到混合溶液中，超声处理1小时，获得溶胶。将溶胶在喷雾干燥机下喷雾造粒，得到纳米级别的混合粉末。
混合粉末先在氮气气氛，600℃温度下煅烧3小时得到黑色粉体；再将黑色粉体在氢气气氛，450℃温度下还原3小时，得到Cu-CNTs-Fe的复合粉末；将复合粉末在250MPa压力下进行等静压压制，保压时间为5分钟，得到压坯；将压坯在氢气气氛，1050℃温度下烧结1小时，完成后随炉冷却至室温，得到CNTs-Fe复合增强铜基复合材料。
本发明所采用的金属元素X除为铁以外，还可以以钨、钛或钼代替，或者上述各金属元素中的任意两种组合或任意多种组合。
本发明所采用的含金属元素X的可溶性盐类或者含铜离子的可溶性盐类，除了硝酸盐以外，也可以以氯化物、硫酸盐或者钨酸盐代替，或者上述各物质的任意两种组合或任意多种组合。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故但凡依本发明的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围之内。
Claims (3)
1.一种碳纳米管-金属复合增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)将含金属元素X的可溶性盐类与含铜离子的可溶性盐类按照0.1～2wt％的金属元素X、96～99.8wt％的铜的比例添加到去离子水中配置成相应的混合溶液，所述的金属元素X为铁、钨、钛和钼元素中的一种或两种组合或多种组合；
(2)将0.1～2wt％混酸纯化处理后的碳纳米管添加到步骤(1)的混合溶液中，超声处理0.5～3小时，获得溶胶；
(3)将步骤(2)的溶胶在喷雾干燥机下进行喷雾干燥，获得纳米级别的混合粉末；
(4)将步骤(3)得到的混合粉末在无氧气氛，500℃～700℃温度下煅烧，煅烧时间为0.5～3小时得到黑色粉体；
(5)将煅烧后的黑色粉体在氢气气氛，300℃～600℃温度下还原，还原时间为2～6小时，得到碳纳米管-金属元素和铜的复合粉末；
(6)将步骤(5)得到的复合粉末在100～300MPa压力下进行等静压压制，保压时间为2～10分钟，得到压坯；
(7)将步骤(6)获得的压坯在氢气气氛，800℃～1100℃温度下烧结1～3小时，得到碳纳米管-金属复合增强铜基复合材料。
2.根据权利要求1所述碳纳米管-金属复合增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的可溶性盐类为氯化物、硝酸盐、硫酸盐、钨酸盐中的一种或两种组合或多种组合。
3.根据权利要求1所述碳纳米管-金属复合增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：所述碳纳米管的混酸纯化处理过程为：碳纳米管经体积比H2SO4：HNO3为1:3的混酸纯化，再经洗涤、过滤、干燥处理。
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