CN105779962B - 一种铜-碳纳米管复合粉末的制备方法 - Google Patents

一种铜-碳纳米管复合粉末的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种铜‑碳纳米管复合粉末的制备方法，包括一个通过水雾法制备铜铬合金粉的步骤，通过热处理，使铬均匀的弥散在铜粉末基体上；还包括一个CNT管生长的步骤，选用玻璃石英舟作为基板，在处理过的石英舟基板上均匀覆盖一层铜铬合金粉，形成催化剂薄膜；将上述得到的催化剂薄膜石英舟放置在水分辅助化学气相沉积CNT管生长炉石英管中，升温至生长温度，在加热过程中通入氩气、氢气，然后通入氢气、乙烯、水蒸气进行碳纳米管生长，生长结束后，停止通入碳源气体和水蒸气，调节氢气和氩气的气体流量，冷却后即得到碳纳米管/铜复合粉末。通过本发明的方法获得的铜‑碳纳米管粉末中铜‑碳纳米管结合界面良好、碳纳米管分布均匀。

Description

一种铜-碳纳米管复合粉末的制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料学领域，涉及一种铜-碳纳米管粉末及其制备方法。
背景技术
碳纳米管是1991年由日本NEC科学家Iijima.S.发现的一种具有极高综合性能的新材料,由于其密度小、强度大、比表面积大、导电和导热性能良好，其弹性模量几乎和金刚石相当，达到1.2TPa,比强度是钢的几十倍等特性，碳纳米管成为金属基复合材料理想的增强相。近来，碳纳米管增强金属基复合材料已成为研究的热点。
但为使CNTs在复合材料中发挥作用，有几个必须解决的问题:(1)碳纳米管在基体中均匀分散，均匀分散包括碳纳米管不团聚和弥散分布于基体中；(2)碳纳米管与基体材料良好的界面结合；(3)催化剂颗粒对基体导电性能的影响。
发明内容
针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种铜-碳纳米管粉末及其制备方法，所述的这种铜-碳纳米管粉末及其制备方法要解决碳纳米管在铜基体上的均匀分散问题、碳纳米管与基体铜之间的结合问题和催化剂与基体之间的相互影响的技术问题。
本发明提供了一种铜-碳纳米管复合粉末的制备方法，包括下述步骤：
1)一个通过水雾法制备铜铬合金粉的步骤，按照质量百分比称取铬和铜粉末基体，所述的铬的质量百分比为铜铬合金粉的0.3～0.8wt％，所述的铬的粒度在200～400目之间，余量为所述的铜粉末基体，然后进行热处理，在所述的热处理过程中，选用Ar气保护，同时通入100～500ccm的氢气保护，热处理温度为750～900℃，将铬在铜粉末基体中固溶0.5～2小时，然后400～500℃时效处理1～3小时，使铬均匀的弥散分布在铜粉末基体上，制备出具有催化活性的铜铬复合粉末，然后在酒精中清洗10～30小时，同时选用电磁搅拌设备机械搅拌，清洗铜铬合金粉；
2)一个CNT管生长的的步骤，选用玻璃石英舟作为基板，对选用的基板采用去离子水清洗、烘干处理；在处理过的石英舟基板上，均匀覆盖一层步骤1)处理过的铜铬合金粉，形成催化剂薄膜；在得到的催化剂薄膜上，依据CVD技术生长碳纳米管；所述的CVD技术生长碳纳米管的步骤为：
a、将上述得到的催化剂薄膜石英舟放置在水分辅助化学气相沉积CNT管生长炉(WCVD)石英管中，两头用塞棒堵塞，塞棒直径小于石英管直径5～8mm，然后用氮气对WCVD炉石英管进行吹扫；
b、按照8～12℃/min的速度升温至生长温度，并保温10～15分钟保证炉内温度均匀，在加热过程中通入1500～2000sccm氩气、1000～1500sccm氢气，然后通入氢气、乙烯、水蒸气进行碳纳米管生长，生长结束后，关闭加热电源，停止通入碳源气体和水蒸气，调节氢气的气体流量为300～500sccm，氩气的气体流量为1500～3000sccm冷却至室温，即得到碳纳米管/铜复合粉末。
上述所述的生长温度为700～850℃；
上述所述的生长时间为30～60Min；
上述所述的生长过程中氢气含量为2000～2500sccm；
上述所述的生长过程中碳源(C2H4)含量为100～500sccm；
上述所述的生长过程中水蒸气含量为500～1200sccm；
优选的时效温度为430～470℃，时效时间90～150分钟。
本发明公开了一种铜-碳纳米管(CNTs)粉末及其制备方法，首先以铜铬粉做催化剂载体及催化剂，制备有效的Cu载体催化剂，然后在此新型复合催化剂上采用CVD法原位合成分布均匀且质量可控的CNTs，获得CNT-Cu原位复合粉末。本发明解决了常规制备铜-碳纳米管(CNTs)粉末的界面润湿性问题和碳纳米管(CNTs)的分散问题。本发明仅仅通过雾化制粉、固溶时效等常规简单方法实现了铜-碳纳米管(CNTs)粉末的低成本、便捷化、规模化制备，其易于控制和实施，使用于规模化生产铜-碳纳米管(CNTs)粉末。
本发明和已有技术相比，其技术进步是显著的。本发明从复合粉末制备技术出发，将原位合成和化学共沉积相结合，制备出CNTs分布均匀、结构完整且CNTs与Cu界面结合良好的复合粉末。从而解决了CNTs在金属基体中的均匀分散性、CNTs的结构完整性和CNTs与Cu基体间界面浸润性差等技术难题。本发明的铜-碳纳米管粉末中铜-碳纳米管结合界面良好、碳纳米管分布均匀。
附图说明
图1是通过实施例1的方法获得的铜-碳纳米管复合粉末的电镜扫描图。
图2是通过实施例2的方法获得的铜-碳纳米管复合粉末的电镜扫描图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
实施例1
一种铜-碳纳米管复合粉末的制备方法，按照以下步骤进行：
1)一个通过水雾法制备铜铬合金粉的步骤，按照质量百分比称取铬和铜粉末基体，所述的铬的质量百分比为铜铬合金粉的0.6wt％，所述的铬的粒度在400目，余量为所述的铜粉末基体，然后进行热处理，所述的热处理过程中，选用Ar气保护，同时通入100～500ccm的氢气保护，热处理温度为800℃，将铬在铜粉末基体中固溶1小时，然后450℃时效处理1小时，使铬均匀的弥散在铜粉末基体上，制备出具有催化活性的铜铬复合粉末，然后在酒精中清洗24小时，同时选用电磁搅拌设备机械搅拌，清洗铜铬合金粉；
2)CNT管生长
选用石英舟作为基板，对选用的基板去离子水清洗、烘干处理；处理过的石英舟基板上，均匀覆盖一层上述处理过的铜铬合金粉，形成催化剂薄膜。将上述所述的得到含有催化剂薄膜的石英舟放置在水分辅助化学气相沉积CNT管生长炉(WCVD)的石英管中，两头用塞棒堵塞，塞棒直径小于石英管直径5-8mm，然后用氮气对WCVD炉石英管进行吹扫；
3)通入1950sccm氩气、1300sccm氢气，按照10℃/min的速度升温至CNTs生长温度800℃，并保温10分钟，然后通入2450sccm氢气、200sccm乙烯和800sccm水蒸气进行碳纳米管生长，生长时间为60min，生长结束后，关闭加热电源，停止通入碳源气体和水蒸气，调节氢气的气体流量为500sccm，氩气的气体流量为2000sccm冷却至室温，即得到碳纳米管/铜复合粉末，如图1所示。
实施例2
一种铜-碳纳米管复合粉末的制备方法，按照以下步骤进行：
1)一个通过水雾法制备铜铬合金粉的步骤，按照质量百分比称取铬和铜粉末基体，所述的铬的质量百分比为铜铬合金粉的0.4wt％，所述的铬的粒度在200目，余量为所述的铜粉末基体，然后进行热处理，所述的热处理过程中，选用Ar气保护，同时通入100～500ccm的氢气保护，热处理温度为800℃，将铬在铜粉末基体中固溶1小时，然后450℃时效处理2小时，使铬均匀的弥散在铜粉末基体上，制备出具有催化活性的铜铬复合粉末，然后在酒精中清洗24小时，同时选用电磁搅拌设备机械搅拌，清洗铜铬合金粉；
2)CNT管生长
选用石英舟作为基板，对选用的基板去离子水清洗、烘干处理；处理过的石英舟基板上，均匀覆盖一层上述处理过的铜铬合金粉，形成催化剂薄膜。将上述所述的得到含有催化剂薄膜的石英舟放置在水分辅助化学气相沉积CNT管生长炉(WCVD)的石英管中，两头用塞棒堵塞，塞棒直径小于石英管直径5-8mm，然后用氮气对WCVD炉石英管进行吹扫；
3)通入1650sccm氩气、1300sccm氢气，按照10℃/min的速度升温至CNTs生长温度800℃，并保温15分钟，然后通入2450sccm氢气、100sccm乙烯和1200sccm水蒸气进行碳纳米管生长，生长时间为60min，生长结束后，关闭加热电源，停止通入碳源气体和水蒸气，调节氢气的气体流量为300sccm，氩气的气体流量为2000sccm冷却至室温，即得到碳纳米管/铜复合粉末，如图2所示。

Claims (1)

1.一种铜-碳纳米管复合粉末的制备方法，其特征在于包括下述步骤：
1)一个通过水雾法制备铜铬合金粉的步骤，按照质量百分比称取铬和铜粉末基体，所述的铬的质量百分比为铜铬合金粉的0.3～0.8wt％，所述的铬的粒度在200～400目之间，余量为所述的铜粉末基体，然后进行热处理，在所述的热处理过程中，选用Ar气保护，同时通入100～500ccm的氢气保护，热处理温度为750～900℃，将铬在铜粉末基体中固溶0.5～2小时，然后430～470℃时效处理90～150分钟，使铬均匀的弥散在铜粉末基体上，制备出具有催化活性的铜铬复合粉末，然后在酒精中清洗10～30小时，同时选用电磁搅拌设备机械搅拌，清洗铜铬合金粉；
2)一个CNT管生长的的步骤，选用玻璃石英舟作为基板，对选用的基板采用去离子水清洗、烘干处理；在处理过的石英舟基板上，均匀覆盖一层步骤1)处理过的铜铬合金粉，形成催化剂薄膜；在得到的催化剂薄膜上，依据CVD技术生长碳纳米管；
所述的CVD技术生长碳纳米管的步骤为：
a、将上述得到的催化剂薄膜石英舟放置在水分辅助化学气相沉积CNT管生长炉石英管中，两头用塞棒堵塞，塞棒直径小于石英管直径5～8mm，然后用氮气对WCVD炉石英管进行吹扫；
b、按照8～12℃/min的速度升温至生长温度，所述的生长温度为700～850℃，并保温10～15分钟保证炉内温度均匀，在加热过程中通入1500～2000sccm氩气、1000～1500sccm氢气，然后通入氢气、乙烯、水蒸气进行碳纳米管生长，所述的生长过程中氢气含量为2450sccm；所述的生长过程中乙烯含量为100～500sccm，所述的生长过程中水蒸气含量为500～1200sccm，所述的生长时间为30～60Min，生长结束后，关闭加热电源，停止通入碳源气体和水蒸气，调节氢气的气体流量为300～500sccm，氩气的气体流量为1500～3000sccm冷却至室温，即得到碳纳米管/铜复合粉末。
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