CN107586981A - 一种碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法，属于复合材料制备技术领域。本发明将碳纳米管置于酸液中超声分散处理20~120min，加热至50~80min并恒温处理5~15h，经过滤、洗涤、干燥后得到预处理碳纳米管；将预处理碳纳米管配制成碳纳米管/铜盐复合溶液，以纯钛板为阴极，纯铜板为阳极，碳纳米管/铜盐复合溶液为电镀液，在温度为25~50℃、阴极电流密度为0.5~20A/dm2的条件进行电镀，当沉积电量为50~200C时，取出阴极并剥离出复合薄膜进行清洗、干燥，获得碳纳米管增强铜基复合薄膜，将复合薄膜逐层叠加并压制成型，得到碳纳米管增强铜基复合块体，随后将复合块体进行烧结处理即得到碳纳米管增强铜基复合材料。本发明中，碳纳米管在复合薄膜片层内呈网络状均匀分布。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法，属于复合材料制备技术领域。
背景技术
自碳纳米管被发现以来，由于其独特的结构，优异的力学、电学和热学性能，良好的热稳定性和耐腐蚀性，引起了人们广泛的研究兴趣。同时，碳纳米管也被视为复合材料的理想增强体，已成为材料科学领域的研究热点。
碳纳米管的优异性能使其具有广阔的应用前景，目前其在复合材料、锂电材料、储氢材料和生物工程等领域的应用都有相关报道。碳纳米管增强铜基复合材料可应用于触头、焊接电极等领域，通过碳纳米管的添加能在很大程度上提高铜基材料的综合性能，具有极强的研究价值和应用前景。
然而，在碳纳米管增强金属基复合材料的研究中仍面临许多问题。第一是在金属基体中实现碳纳米管的均匀分布。碳纳米管具有大的比表面积，因此在范德华力的作用下易于团聚并形成团簇。由于碳纳米管团簇具有较低的强度和较高的孔隙率，造成性能的不连续性，从而团簇增加了复合材料的孔隙率。第二是确保碳纳米管在金属基体中的结构完整性。例如球磨等制备过程可能对碳纳米管造成损耗，破坏其完整性。目前对碳纳米管增强铜基复合材料的研究中，大多采用粉末冶金法制备复合材料，制备过程一般通过研磨或球磨的方法制备碳纳米管和铜的混合粉末。这种工艺难以实现碳纳米管的均匀分散，同时碳纳米管的结构完整性在球磨过程中也会受到较大的破坏。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法，即将电沉积法与粉末冶金法相结合，制备碳纳米管增强铜基复合材料，有效解决了碳纳米管在铜基体中的均匀分散问题，有效保证了碳纳米管的完整性，制备出的碳纳米管增强铜基复合材料具有高致密、高性能的特点。
一种碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法，具体步骤为：
将碳纳米管置于酸液中超声分散处理20~120min，加热至温度为50~80℃并恒温处理5~15h，经过滤、洗涤、干燥后得到预处理碳纳米管，其中酸液为浓硫酸和浓硝酸的混合酸液；
（2）将步骤（1）所得预处理碳纳米管配制成碳纳米管/铜盐复合溶液，其中碳纳米管/铜盐复合溶液中碳纳米管的浓度为1~10g/L，铜盐的浓度为0.2~1mol/L；
（3）以纯钛板为阴极，纯铜板为阳极，步骤（2）的碳纳米管/铜盐复合溶液为电镀液，在温度为25~50℃、阴极电流密度为0.5~20 A/dm2的条件下进行电镀，当沉积电量为50~200C时，，取出阴极并剥离出复合薄膜，进行清洗、干燥后得到碳纳米管增强铜基复合薄膜；
（4）将步骤（3）所得的碳纳米管增强铜基复合薄膜逐层叠加并压制成型，得到碳纳米管增强铜基复合块体；
（5）在惰性气体氛围中，将步骤（4）所得的碳纳米管增强铜基复合块体进行热压烧结或放电等离子烧结处理，得到碳纳米管增强铜基复合材料；
所述步骤（1）酸液中浓硫酸和浓硝酸的体积比为（3~4）:1，浓硫酸和浓硝酸均为市售产品；碳纳米管纯度不低于95%，碳纳米管为单壁、双壁、多壁碳纳米管中的一种或多种；
所述步骤（2）铜盐溶液中还含有硫酸或氢氧化钠、稳定剂、晶粒细化剂、分散剂的一种或多种，其中稳定剂为酒石酸钾钠或乙二胺四乙酸二钠，晶粒细化剂为糖精，分散剂为十二烷基苯磺酸钠，铜盐溶液中稳定剂浓度为0.4~0.5mol/L，晶粒细化剂浓度为0~500ppm，分散剂浓度为0~100ppm；
所述步骤（2）铜盐为硫酸铜、氯化铜、硬脂酸铜、乙二胺四乙酸钠铜或硝酸铜；
所述步骤（4）热压烧结或放电等离子烧结处理的温度为600~1000℃，热压烧结或放电等离子烧结处理的时间为10~30 min，热压烧结或放电等离子烧结的压力为10~300MPa；
本发明的有益效果：
（1）本发明将电沉积法与粉末冶金法相结合制备碳纳米管增强铜基复合材料，保证了碳纳米管的完整性，实现了碳纳米管在整个基体内的均匀分布，即碳纳米管不仅分布于铜镀层的表面，还均匀分布于铜晶粒的内部，有效解决了碳纳米管在铜基体中的均匀分散问题，使得碳纳米管与铜基体的界面结合强度高；
（2）本发明方法制备的碳纳米管增强铜基复合材料相对于复合材料的理论计算密度即相对密度（本专利中统称相对密度）达到了97%，最高抗拉强度达到了295Mpa。
附图说明
图1为本发明实施例1碳纳米管增强铜基复合薄膜的微观形貌图；
图2为本发明实施例2碳纳米管增强铜基复合薄膜的微观形貌图；
图3为本发明实施例3碳纳米管增强铜基复合薄膜的微观形貌图；
图4为本发明实施例2碳纳米管增强铜基复合材料的截面微观形貌图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1：一种碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法，具体步骤为：
（1）将多壁碳纳米管（多壁碳纳米管的纯度不小于95%）置于酸液中超声分散处理30min，加热至温度为65℃并恒温处理10h，经过滤、洗涤、干燥后得到预处理碳纳米管，其中酸液为浓硫酸和浓硝酸的混合酸液，酸液中浓硫酸和浓硝酸的体积比为3:1；
（2）将步骤（1）所得预处理碳纳米管加入到铜盐溶液中配制成碳纳米管/铜盐复合溶液，其中碳纳米管/铜盐复合溶液中碳纳米管的浓度为2g/L，铜盐为硫酸铜，铜盐（硫酸铜）的浓度为0.2mol/L，碳纳米管/铜盐复合溶液中还含有硫酸0.2mol/L；
（3）以纯钛板为阴极，纯铜板为阳极，步骤（2）的碳纳米管/铜盐复合溶液为电镀液，在温度为25℃、阴极电流密度为1A/dm2的条件下进行电镀，当电沉积电量为200C时，取出阴极并剥离出复合薄膜，进行清洗、干燥后得到碳纳米管增强铜基复合薄膜；本实施例的碳纳米管增强铜基复合薄膜的微观形貌如图1所示，从图1可知，碳纳米管均匀分布并镶嵌于铜基体上，单位面积内碳纳米管的体积分数较高，碳纳米管与铜基体间结合良好；
（4）将步骤（3）所得碳纳米管增强铜基复合薄膜冲裁成Ф20 mm的圆片并放入压样模具中，逐层叠加并压制成型，得到碳纳米管增强铜基复合块体；
（5）在惰性气体（氩气）氛围中，将步骤（4）所得碳纳米管增强铜基复合块体进行放电等离子烧结处理，其中烧结温度为900℃，烧结时间为10min，烧结压力为40MPa，烧结后得到碳纳米管增强铜基复合材料。
本实施例制备的碳纳米管增强铜基复合材料的相对密度为97.8%, 抗拉强度为246MPa。
实施例2：本实施例中碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于步骤（2）中碳纳米管/铜盐复合溶液中碳纳米管的浓度为1g/L；
本实施例的碳纳米管增强铜基复合薄膜的微观形貌如图2所示，从图2可知，碳纳米管均匀分布并镶嵌于铜基体上，碳纳米管与铜基体间结合良好，部分较长的碳纳米管串联了多个铜晶粒，有助于烧结后应力在复合材料基体内的有效传递；
本实施例的碳纳米管增强铜基复合材料的截面微观形貌图如图4所示，从图4可知，复合材料的微观组织中无明显孔隙，结构致密，碳纳米管在整个基体上分布均匀；
本实施例制备的碳纳米管增强铜基复合材料的相对密度为98.5%, 抗拉强度为213MPa。
实施例3：本实施例中碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于步骤（3）中电沉积时阴极电流密度为2A/dm2；
本实施例的碳纳米管增强铜基复合薄膜的微观形貌如图3所示，从图3可知，碳纳米管均匀分布并镶嵌于铜基体上，碳纳米管与铜基体间结合良好，与实施例1相比，铜的平均晶粒尺寸由于电流密度的增大而减小；
本实施例制备的碳纳米管增强铜基复合材料的相对密度为97.3%, 抗拉强度为267MPa。
实施例4：本实施例中碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于步骤（3）中电沉积温度50℃，电沉积电量为50C；
本实施例制备的碳纳米管增强铜基复合材料的相对密度为98.6%, 抗拉强度为256MPa。
实施例5：一种碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法，具体步骤为：
（1）将双壁碳纳米管（双壁碳纳米管的纯度不小于95%）置于酸液中超声分散处理60min，加热至温度为50℃并恒温处理15h，经过滤、洗涤、干燥后得到预处理碳纳米管，其中酸液为浓硫酸和浓硝酸的混合酸液，酸液中浓硫酸和浓硝酸的体积比为4:1；
（2）将步骤（1）所得预处理碳纳米管加入到铜盐溶液中配制成碳纳米管/铜盐复合溶液，其中碳纳米管/铜盐复合溶液中碳纳米管的浓度为4g/L，铜盐为乙二胺四乙酸钠铜，铜盐（乙二胺四乙酸钠铜）的浓度为1.0mol/L，碳纳米管/铜盐复合溶液还含有十二烷基苯磺酸钠 100ppm、酒石酸钾钠0.4mol/L，采用氢氧化钠调节碳纳米管/铜盐复合溶液的pH值至10；
（3）以纯钛板为阴极，纯铜板为阳极，步骤（2）的碳纳米管/铜盐复合溶液为电镀液，在温度为50℃、阴极电流密度为0.5A/dm2的条件下进行电镀，当沉积电量为200C时，取出阴极并剥离出复合薄膜，进行清洗、干燥后得到碳纳米管增强铜基复合薄膜；
（4）将步骤（3）所得碳纳米管增强铜基复合薄膜冲裁成Ф20 mm的圆片并放入压样模具中，逐层叠加并压制成型，得到碳纳米管增强铜基复合块体；
（5）在惰性气体（氩气）氛围中，将步骤（4）所得碳纳米管增强铜基复合块体进行热压烧结处理，其中烧结温度为850℃，烧结时间为30min，烧结压力为50MPa，烧结后得到碳纳米管增强铜基复合材料。
本实施例制备的碳纳米管增强铜基复合材料的相对密度为99.2%, 抗拉强度为237MPa。
实施例6：本实施例中碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法与实施例2基本相同，不同之处在于步骤（5）中采用放电等离子烧结，其中烧结温度为850℃，烧结时间为5min，烧结压力为50MPa；
本实施例制备的碳纳米管增强铜基复合材料的相对密度为98.7%, 抗拉强度为263MPa。
实施例7：一种碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法，具体步骤为：
（1）将多壁碳纳米管（多壁碳纳米管的纯度不小于95%）置于酸液中超声分散处理120min，加热至温度为80℃并恒温处理5h，经过滤、洗涤、干燥后得到预处理碳纳米管，其中酸液为浓硫酸和浓硝酸的混合酸液，酸液中浓硫酸和浓硝酸的体积比为3:1；
（2）将步骤（1）所得预处理碳纳米管加入到铜盐溶液中配制成碳纳米管/铜盐复合溶液，其中碳纳米管/铜盐复合溶液中碳纳米管的浓度为2g/L，铜盐为硝酸铜，铜盐（硝酸铜）的浓度为0.65mol/L，碳纳米管/铜盐复合溶液还含有十二烷基苯磺酸钠 100ppm、乙二胺四乙酸二钠0.5mol/L、糖精 500ppm，采用氢氧化钠调节碳纳米管/铜盐复合溶液的pH值至11；
（3）以纯钛板为阴极，纯铜板为阳极，步骤（2）的碳纳米管/铜盐复合溶液为电镀液，在功率为10Kw的超声波、温度为45℃、阴极电流密度为5A/dm2的条件下进行电镀，当沉积电量达到200C时，取出阴极并剥离出复合薄膜，进行清洗、干燥后得到碳纳米管增强铜基复合薄膜；
（4）将步骤（3）所得碳纳米管增强铜基复合薄膜冲裁成Ф20 mm的圆片并放入压样模具中，逐层叠加并压制成型，得到碳纳米管增强铜基复合块体；
（5）在惰性气体（氩气）氛围中，将步骤（4）所得碳纳米管增强铜基复合块体进行放电等离子烧结处理，其中烧结温度为600℃，烧结时间为10min，烧结压力为250MPa，烧结后得到碳纳米管增强铜基复合材料。
本实施例制备的碳纳米管增强铜基复合材料的相对密度为99.0%, 抗拉强度为295MPa。
实施例8：一种碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法，具体步骤为：
（1）将单壁碳纳米管（单壁碳纳米管的纯度不小于95%）置于酸液中超声分散处理20min，加热至温度为50℃并恒温处理5h，经过滤、洗涤、干燥后得到预处理碳纳米管，其中酸液为浓硫酸和浓硝酸的混合酸液，酸液中浓硫酸和浓硝酸的体积比为3:1；
（2）将步骤（1）所得预处理碳纳米管加入到铜盐溶液中配制成碳纳米管/铜盐复合溶液，其中碳纳米管/铜盐复合溶液中碳纳米管的浓度为10g/L，铜盐为硬脂酸铜，铜盐（硬脂酸铜）的浓度为0.5mol/L，碳纳米管/铜盐复合溶液还含有硫酸0.2mol/L、十二烷基苯磺酸钠 100ppm、糖精 500ppm；
（3）以纯钛板为阴极，纯铜板为阳极，步骤（2）的碳纳米管/铜盐复合溶液为电镀液，在功率为5Kw的超声波、温度为25℃、阴极电流密度为20A/dm2的条件下进行电镀，当沉积电量为200C时，取出阴极并剥离出复合薄膜，进行清洗、干燥后得到碳纳米管增强铜基复合薄膜；
（4）将步骤（3）所得碳纳米管增强铜基复合薄膜冲裁成Ф20 mm的圆片并放入压样模具中，逐层叠加并压制成型，得到碳纳米管增强铜基复合块体；
（5）在惰性气体（氮气）氛围中，将步骤（4）所得碳纳米管增强铜基复合块体进行放电等离子烧结处理，其中烧结温度为800℃，烧结时间为10min，烧结压力为50MPa，烧结后得到碳纳米管增强铜基复合材料；
本实施例制备的碳纳米管增强铜基复合材料的相对密度为97.8%, 抗拉强度为273MPa。
实施例9：一种碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法，具体步骤为：
（1）将多壁碳纳米管（多壁碳纳米管的纯度不小于95%）置于酸液中超声分散处理70min，加热至温度为65℃并恒温处理8h，经过滤、洗涤、干燥后得到预处理碳纳米管，其中酸液为浓硫酸和浓硝酸的混合酸液，酸液中浓硫酸和浓硝酸的体积比为7:2；
（2）将步骤（1）所得预处理碳纳米管加入到铜盐溶液中配制成碳纳米管/铜盐复合溶液，其中碳纳米管/铜盐复合溶液中碳纳米管的浓度为5.5g/L，铜盐为硬脂酸铜，铜盐（硬脂酸铜）的浓度为0.6mol/L，碳纳米管/铜盐复合溶液还含有硫酸0.2mol/L、十二烷基苯磺酸钠50ppm、糖精250ppm；
（3）以纯钛板为阴极，纯铜板为阳极，步骤（2）的碳纳米管/铜盐复合溶液为电镀液，在功率为5Kw的超声波、温度为37℃、阴极电流密度为10.25A/dm2的条件下进行电镀，当沉积电量为125C时，取出阴极并剥离出复合薄膜，进行清洗、干燥后得到碳纳米管增强铜基复合薄膜；
（4）将步骤（3）所得碳纳米管增强铜基复合薄膜冲裁成Ф20 mm的圆片并放入压样模具中，逐层叠加并压制成型，得到碳纳米管增强铜基复合块体；
（5）在惰性气体（氮气）氛围中，将步骤（4）所得碳纳米管增强铜基复合块体进行放电等离子烧结处理，其中烧结温度为1000℃，烧结时间为10min，烧结压力为155MPa，烧结后得到碳纳米管增强铜基复合材料；
本实施例制备的碳纳米管增强铜基复合材料的相对密度为99.3%, 抗拉强度为281MPa。
Claims (5)
1.一种碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
（1）将碳纳米管置于酸液中超声分散处理20~120min，加热至温度为50~80℃并恒温处理5~15h，经过滤、洗涤、干燥后得到预处理碳纳米管，其中酸液为浓硫酸和浓硝酸的混合酸液；
（2）将步骤（1）所得预处理碳纳米管配制成碳纳米管/铜盐复合溶液，其中碳纳米管/铜盐复合溶液中碳纳米管的浓度为1~10g/L，铜盐的浓度为0.2~1mol/L；
（3）以纯钛板为阴极，纯铜板为阳极，步骤（2）的碳纳米管/铜盐复合溶液为电镀液，在温度为25~50℃、阴极电流密度为0.5~20 A/dm2的条件下进行电镀，当沉积电量达到50~200C时，取出阴极并剥离出复合薄膜进行清洗、干燥，得到碳纳米管增强铜基复合薄膜；
（4）将步骤（3）所得碳纳米管增强铜基复合薄膜逐层叠加并压制成型，得到碳纳米管增强铜基复合块体；
（5）在惰性气体氛围中，将步骤（4）所得碳纳米管增强铜基复合块体进行热压烧结或放电等离子烧结处理，得到碳纳米管增强铜基复合材料。
2.根据权利要求1所述碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）酸液中浓硫酸和浓硝酸的体积比为（3~4）:1，碳纳米管纯度不低于95%，碳纳米管为单壁、双壁、多壁碳纳米管中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）铜盐溶液中还含有硫酸或氢氧化钠、稳定剂、晶粒细化剂、分散剂的一种或多种，其中稳定剂为酒石酸钾钠或乙二胺四乙酸二钠，晶粒细化剂为糖精，分散剂为十二烷基苯磺酸钠，铜盐溶液中稳定剂浓度为0.4~0.5mol/L，晶粒细化剂浓度为0~ 500ppm，分散剂浓度为0~100ppm。
4.根据权利要求1所述碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）铜盐为硫酸铜、氯化铜、硬脂酸铜、乙二胺四乙酸钠铜或硝酸铜。
5.根据权利要求1所述碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（4）热压烧结或放电等离子烧结处理的温度为600~1000℃，热压烧结或放电等离子烧结处理的时间为10~30 min，热压烧结或放电等离子烧结的压力为10~300MPa。
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