CN109317665A - 一种高性能铜/碳复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种高性能铜/碳复合材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109317665A
CN109317665A CN201811468255.5A CN201811468255A CN109317665A CN 109317665 A CN109317665 A CN 109317665A CN 201811468255 A CN201811468255 A CN 201811468255A CN 109317665 A CN109317665 A CN 109317665A
Authority
CN
China
Prior art keywords
copper
carbon
preparation
carbon composite
carbide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201811468255.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109317665B (zh
Inventor
甘雪萍
赵琪
成金娟
周科朝
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Central South University
Original Assignee
Central South University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Central South University filed Critical Central South University
Priority to CN201811468255.5A priority Critical patent/CN109317665B/zh
Publication of CN109317665A publication Critical patent/CN109317665A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109317665B publication Critical patent/CN109317665B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/17—Metallic particles coated with metal
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/05—Mixtures of metal powder with non-metallic powder
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C18/00—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
    • C23C18/16—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by reduction or substitution, e.g. electroless plating
    • C23C18/31—Coating with metals
    • C23C18/38—Coating with copper
    • C23C18/40—Coating with copper using reducing agents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C18/00—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
    • C23C18/16—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by reduction or substitution, e.g. electroless plating
    • C23C18/31—Coating with metals
    • C23C18/38—Coating with copper
    • C23C18/40—Coating with copper using reducing agents
    • C23C18/405—Formaldehyde

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

本发明提供了一种高性能铜/碳复合材料及其制备方法。该制备方法包括以下步骤：对碳材料依次进行除油处理、粗化处理，再加入高压反应釜中，然后加入强碳化物形成元素的氧化物，再通入过水氢气，进行反应，得到改性碳材料；将改性碳材料加入镀铜液中，然后再加入还原剂，进行反应，得到复合金属层镀覆的铜/碳复合材料前驱体；将前驱体进行烧结，得到高性能铜/碳复合材料。该方法利用高压反应釜制备包覆粉，具有操作简便、易于控制、成本低廉的特点，适合大规模工业化生产。该铜/碳复合材料具有优异的力学性能、电学性能及耐磨性能，其抗压强度≥120MPa，致密度≥96％，电阻率≤0.35uΩ.m，摩擦系数小于0.35。

Description

一种高性能铜/碳复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料及其制备技术领域，尤其涉及一种高性能铜/碳复合材料及其制备方法。
背景技术
铜/碳复合材料因具有高强度、高导电和导热，以及良好的耐蚀、自润滑性和抗熔焊等性能，是众多高技术领域所必须的关键材料，广泛应用于航空航天、电子信息、高速轨道交通等领域。目前，欧美发达国家在铜/碳复合材料研究与应用方面总体处于领先水平，他们研制的产品已广泛应用于高端电刷、高速列车及各种大功率、高转速、高温高压机组的工程部件等。我国从70年代开始对铜/碳复合材料开展研究并取得了可喜的成绩，研制的铜/金刚石(石墨、碳纤维)复合材料在电子封装、动密封、受电弓滑板、高档电刷等方面获得应用。但在铜/碳复合材料品种、性能、制备技术等方面与欧美发达国家存在一定差距。因此，研制高性能铜/碳复合材料是我国众多重点工程急需解决的问题。
影响铜/碳复合材料综合性能的主要因素是铜与碳之间的界面问题。由于铜与碳既不发生化学反应也不互溶或扩散，它们之间的结合主要依靠机械啮合方式实现，界面结合力非常弱，它极大程度上制约了铜/碳复合材料的应用。为了提高铜与碳的润湿性，因此急需探索出一种高性能的铜/碳复合材料的制备方法。
目前，改善铜与碳润湿性的方法主要有两大类：铜合金化和碳材料表面改性。铜合金化是将铜合金的粉末、碳材料和强碳化物形成元素混合，通过模压成型、烧结制备铜碳复合材料；这种复合材料的碳材料表面不能被碳化物完全均匀地包覆，从而导致复合材料内部微观结构均匀性差。碳材料表面改性是利用化学镀、盐浴镀、电镀、磁控溅射或溶胶凝胶法在碳材料表面镀覆一层能与碳发生化学反应或扩散或互溶的金属层。化学镀是通过溶液中适当的还原剂使金属离子在金属表面的自催化作用下进行还原的金属沉积过程，也叫无电解镀和自催化镀，运用化学镀法对碳材料表面进行改性，所得镀层的致密度不高。电镀、盐浴镀和磁控溅射不仅需要耗费大量能源，提高成本，而且不能在细微粉体表面均匀镀覆金属层，获得的镀层厚度不太均匀，且设备复杂，工艺成本高。溶胶凝胶法虽然可以获得均匀的镀层，但是在凝胶干燥和除杂过程中由于镀层内大量气体的逸出，易在镀层表面产生裂纹，破坏镀层的完整性。因此，亟需研究开发一种可以提高铜/碳复合材料的综合性能的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种工艺简单、成本低廉、可有效提高铜/碳复合材料综合性能的方法，同时提供由该方法制得的铜/碳复合材料。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种高性能铜/碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)对碳材料依次进行除油处理、粗化处理；
(2)将步骤(1)后的碳材料加入反应釜中，然后加入强碳化物形成元素的氧化物，再通入过水氢气，进行反应，反应过程中，氧化物和水反应生成易挥发的水合氢氧化物，然后再被氢气还原成强碳化物形成元素原子，并在碳材料表面沉积，得到改性碳材料；
(3)将步骤(2)后的改性碳材料加入镀铜液中，然后再加入还原剂，进行反应，得到复合金属层镀覆的铜/碳复合材料前驱体；
(4)将步骤(3)后的铜/碳复合材料前驱体进行烧结，烧结过程中强碳化物形成元素原子与碳原子发生反应，形成相应碳化物界面，而铜相形成了均匀连续的三维网状结构，从而调控界面结构，改善界面结合，得到高性能铜/碳复合材料。
上述的制备方法，优选的，所述步骤(2)中，强碳化物形成元素为钨和/或钼，强碳化物形成元素的氧化物为氧化钨和/或氧化钼，氧化钨的粒径为50nm-5μm，氧化钼的粒径为50nm-5μm；强碳化物形成元素的氧化物和碳材料的质量比为1:5-1:20。
上述的制备方法，优选的，所述步骤(2)中，反应的温度为600-800℃，时间为5-20h，反应过程中辅以搅拌，搅拌速率为200-400r/min。本发明的制备方法，将高压反应釜内进行的反应的条件参数控制在本发明的范围内，可以保证将强碳化物形成元素的氧化物还原为强碳化物形成元素原子，并沉积在碳材料表面；如果低于本发明的范围，反应将不能发生；如果高于本发明的范围，则对设备的要求较高，增加了生产成本。
上述的制备方法，优选的，所述步骤(3)中，镀铜液中含有铜盐，铜盐为硝酸铜、硫酸铜、乙酸铜中的至少一种，铜盐的含量为20-80g/L。
上述的制备方法，优选的，所述步骤(3)中，还原剂为水合肼、甲醛、右旋葡萄糖、酒石酸钾钠、硫酸肼、乙二胺、乙二醛、硼氢化钠、内缩醛、三乙醇胺、丙三醇、鞣酸、米吐尔中的至少一种。
上述的制备方法，优选的，所述步骤(4)中，烧结为真空热压烧结或者放电等离子体烧结；所述真空热压烧结过程中，以10-20℃/min的速度将温度升至800-950℃，真空度≤10-3Pa，压力为20-50MPa，保温时间为3-6h；所述放电等离子体烧结过程中，以50-100℃/min的速度将温度升至700-900℃，真空度≤10Pa，压力为30-50MPa，保温时间为10-20min。
上述的制备方法，优选的，所述步骤(3)中，反应在40-80℃水浴条件下进行。
上述的制备方法，优选的，所述步骤(1)中，除油处理包括以下具体操作步骤：将碳材料加入浓度为0.35-0.65mol/L的NaOH溶液中，煮沸20-30分钟，除去碳材料表面的油脂和污物，再用去离子水清洗至中性。本发明的制备方法，将除油处理的参数控制在本发明的范围内，可以保证将碳材料表面的油脂全部除去。
上述的制备方法，优选的，所述步骤(1)中，粗化处理包括以下具体操作步骤：将除油后的碳材料加入浓度为10-30％的稀硝酸中，煮沸20-60分钟，再用去离子水清洗至中性，干燥后得到粗化后的碳材料。本发明的制备方法，需将粗化处理的参数控制在本发明的范围内，通过对除油后的碳材料进行粗化处理，使碳材料的表面适当粗糙化，提高了碳材料表面与后续形成的镀层之间的机械咬合力；如果粗化处理的各项参数低于本发明的范围，碳材料表面的粗糙化程度较小，难以提高碳材料表面与镀层间机械咬合力；如果粗化处理的各项参数超出本发明的范围，将导致碳材料表面过度粗糙，造成后续镀层均匀性差。
上述的制备方法，优选的，所述步骤(1)中，碳材料为金刚石粉末、球形石墨、鳞片石墨、碳纳米管或者石墨烯中的至少一种；所述金刚石粉末的粒径范围为10-100μm；所述球形石墨或鳞片石墨的粒径为3-100μm；所述碳纳米管的直径为5-20nm，长度为10-100μm；所述石墨烯的粒径为3-100μm，厚度为20-60nm。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的制备方法制备得到的高性能铜/碳复合材料，所述铜/碳复合材料中包括碳相、碳化物相和铜相，其中碳化物为碳化钨和/或碳化钼，铜相形成了均匀连续的三维网状结构。
本发明的技术方案，通过向反应釜中通入过水氢气，使氧化钼或者氧化钨(强碳化物形成元素的氧化物)与过水氢气中的水形成高挥发性的水合氢氧化钨或者水合氢氧化钼，然后再被氢气还原形成高活性钨原子或者钼原子，沉积在碳材料表面，可以为后续包覆铜提供更多的形核位点；由于铜与钼或者钨的润湿角很小，化学镀过程中被还原出的铜能够很容易地包覆在碳材料表面，形成完整、均匀的包覆层，得到表面包覆复合金属层的碳材料，实现碳材料表面的金属化；最后经过真空热压烧结或者放电等离子烧结，钨原子或者钼原子可以与碳原子反应形成相应碳化物，铜相形成了均匀连续的三维网状结构，得到铜/碳复合材料。本发明既可以增强铜与碳之间的界面结合力，又可以提高铜/碳复合材料的致密度，获得综合性能高的铜/碳复合材料。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的制备方法，采用氧化钼或者氧化钨作为增强金属源，钼和钨均为强碳化物形成元素，使得碳材料表面包覆碳化钼或碳化钨后，与铜之间的界面润湿性得到极大改善，大大增强了碳材料和铜之间的界面结合强度，降低了界面热阻与电阻，有利于热流和电子在界面处的传导，从而提高铜碳复合材料的力学性能、电学性能及导热性能。
(2)本发明的制备方法，在高温状态下进行搅拌，反应釜内的氧化钨、氧化钼会在气态的状态下和碳材料进行相互接触，相较于液态和固体，更容易让碳材料表面形成均匀的包覆层；而相较于化学镀和熔盐法，提高了碳材料表面镀覆的金属材料的均匀性和碳材料的分散性。
(3)本发明的制备方法，碳材料表面金属化后更利于烧结，且颗粒与颗粒之间的接触均为铜与铜的接触，通过真空热压烧结或放电等离子烧结后所得的铜/碳复合材料中铜相形成了均匀连续的三维网状结构，进一步提高复合材料的力学性能、电学性能、导热性能及耐磨性能。
(4)本发明的制备方法，利用反应釜制备包覆粉，具有操作简便、易于控制、成本低廉的特点，适合大规模工业化生产。
(5)本发明的铜/碳复合材料，具有优异的力学性能、电学性能及耐磨性能，其抗压强度≥120MPa，致密度≥96％，电阻率≤0.35uΩ.m，摩擦系数小于0.35。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中改性碳材料表面的SEM图；
图2为本发明实施例1中铜/石墨复合材料表面的SEM图；
图3为本发明实施例1中铜/石墨复合材料铜和石墨之间的界面的SEM图；
图4为本发明实施例2中制备的铜/碳复合材料的摩擦系数曲线。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1：
一种本发明的高性能铜/碳复合材料，该铜/碳复合材料中包括碳相、碳化钼相和铜相，铜相形成了均匀连续的三维网状结构。
一种本发明的高性能铜/碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将10g粒径为17um的球形石墨粉加入1L浓度为0.4mol/L的NaOH溶液中，煮沸20分钟以除去表面的油脂和污物，用去离子水反复洗涤至中性，再将经除去油脂和污物的石墨粉置于1L浓度为10％的稀硝酸溶液中煮沸40min使石墨粉表面粗化，用去离子水反复洗涤至中性；
(2)将步骤(1)后的石墨粉、2g粒径为1μm的氧化钼加入反应釜内并密封，通入过水氢气，进行反应，反应的温度为800℃，时间为10h，整个反应过程中辅以搅拌，搅拌速率始终保持200r/min，反应完成后将反应釜自然冷却至室温，取出改性碳材料粉末；所得改性碳材料粉末的表面形貌如图1所示，由图可知，球形石墨表面已经被金属钼包覆；
(3)将步骤(2)后的改性碳材料粉末用去离子水反复洗涤，然后加入浓度为20g/L的硫酸铜溶液中，再加入过量还原剂酒石酸钾钠，进行反应，反应在60℃水浴条件下进行，反应完成后用去离子水反复洗涤至中性，得到复合金属层镀覆的铜/碳复合材料前驱体；
(4)将步骤(3)后的铜/碳复合材料前驱体装入内直径为60mm的石墨模具中，进行放电等离子烧结，烧结过程中，以50℃/min的升温速率将温度升至800℃，控制真空度低于10Pa，烧结压力为35MPa，保温时间为20min，得到高性能铜/碳复合材料。
本实施例中制备的铜/碳复合材料的表面形貌如图2所示，由图可知，铜(亮色区域)在复合材料中分布均匀并且形成了互穿的三维网络；铜与石墨之间的界面结构如图3所示，由图可知，铜与石墨之间的界面结合非常紧密，表明碳化钼中间改性层的引入，极大地改善了复合材料的界面润湿性。
经测试，本实施例中制得的铜/碳复合材料的抗压强度为128MPa，致密度为98.2％，电阻率为0.25uΩ.m，摩擦系数为0.1左右。
实施例2：
一种本发明的高性能铜/碳复合材料，该铜/碳复合材料中包括碳相、碳化钨相和铜相，铜相形成了均匀连续的三维网状结构。
一种本发明的高性能铜/碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将10g粒径为20um的球形石墨粉加入1L浓度为0.6mol/L的NaOH溶液中，煮沸30分钟以除去表面的油脂和污物，用去离子水反复洗涤至中性，再将经除去油脂和污物的石墨粉置于1L浓度为30％的稀硝酸溶液中煮沸30min使石墨粉表面粗化，用去离子水反复洗涤至中性；
(2)将步骤(1)后的石墨粉、1.0g粒径为10μm的氧化钨加入反应釜内并密封，通入过水氢气，进行反应，反应的温度为700℃，时间为15h，整个反应过程中辅以搅拌，搅拌速率始终保持300r/min，反应完成后将反应釜自然冷却至室温，取出改性碳材料粉末；
(3)将步骤(2)后的改性碳材料粉末用去离子水反复洗涤，然后加入浓度为50g/L的硝酸铜溶液中，再加入过量还原剂甲醛，进行反应，反应在60℃水浴条件下进行，反应完成后用去离子水反复洗涤至中性，得到复合金属层镀覆的铜/碳复合材料前驱体；
(4)将步骤(3)后的铜/碳复合材料前驱体装入内直径为60mm的石墨模具中，进行真空热压烧结，烧结过程中，以20℃/min的升温速率将温度升至950℃，控制真空度低于10- 3Pa，烧结压力为45MPa，保温时间为180min，得到高性能铜/碳复合材料。
利用环块式摩擦磨损试验机测试本实施例的铜/碳复合材料的摩擦系数，测得的摩擦系数曲线如图4所示，由图可知，在90N、2.08m/s的干磨条件下，跑合期后，其摩擦系数随时间变化很小，表明该铜/碳复合材料的摩擦稳定性好，其平均摩擦系数约为0.08。
经测试，本实施例中制得的铜/碳复合材料的抗压强度为150MPa，致密度为99.1％，电阻率为0.21uΩ.m，摩擦系数0.15左右。
实施例3：
一种本发明的高性能铜/碳复合材料，该铜/碳复合材料中包括碳相、碳化钼相和铜相，铜相形成了均匀连续的三维网状结构。
一种本发明的高性能铜/碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将5g直径为15nm，长度为80μm的碳纳米管加入1L浓度为0.6mol/L的NaOH溶液中，煮沸30分钟以除去表面的油脂和污物，用去离子水反复洗涤至中性，再将经除去油脂和污物的石墨粉置于1L浓度为30％的稀硝酸溶液中煮沸30min使石墨粉表面粗化，用去离子水反复洗涤至中性；
(2)将步骤(1)后的碳纳米管、0.5g粒径为20μm的氧化钼加入反应釜内并密封，通入过水氢气，进行反应，反应的温度为600℃，时间为15h，整个反应过程中辅以搅拌，搅拌速率始终保持300r/min，反应完成后将反应釜自然冷却至室温，取出改性碳材料粉末；
(3)将步骤(2)后的改性碳材料粉末用去离子水反复洗涤，然后加入浓度为40g/L的硫酸铜溶液中，再加入过量还原剂水合肼，进行反应，反应在80℃水浴条件下进行，反应完成后用去离子水反复洗涤至中性，得到复合金属层镀覆的铜/碳复合材料前驱体；
(4)将步骤(3)后的铜/碳复合材料前驱体装入内直径为60mm的石墨模具中，进行放电等离子体烧结，烧结过程中，以50℃/min的升温速率将温度升至800℃，控制真空度低于10Pa，烧结压力为45MPa，保温时间为10min，得到高性能铜/碳复合材料。
经测试，本实施例中制得的铜/碳复合材料的抗压强度为130MPa，致密度为97.1％，电阻率为0.31uΩ.m，摩擦系数0.25左右。
实施例4：
一种本发明的高性能铜/碳复合材料，该铜/碳复合材料中包括碳相、碳化钼相和铜相，铜相形成了均匀连续的三维网状结构。
一种本发明的高性能铜/碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将10g粒径为40um的球形石墨粉加入1L浓度为0.6mol/L的NaOH溶液中，煮沸30分钟以除去表面的油脂和污物，用去离子水反复洗涤至中性，再将经除去油脂和污物的石墨粉置于1L浓度为30％的稀硝酸溶液中煮沸30min使石墨粉表面粗化，用去离子水反复洗涤至中性；
(2)将步骤(1)后的石墨粉、0.5g粒径为30μm的氧化钼加入反应釜内并密封，通入过水氢气，进行反应，反应的温度为700℃，时间为15h，整个反应过程中辅以搅拌，搅拌速率始终保持400r/min，将反应釜自然冷却至室温，取出固体粉末；将改性碳材料；
(3)将步骤(2)后的改性碳材料粉末用去离子水反复洗涤，然后加入浓度为80g/L的乙酸铜溶液中，再加入过量还原剂硼氢化钠，进行反应，反应在60℃水浴条件下进行，反应完成后用去离子水反复洗涤至中性，得到复合金属层镀覆的铜/碳复合材料前驱体；
(4)将步骤(3)后的铜/碳复合材料前驱体装入内直径为60mm的石墨模具中，进行放电等离子体烧结，烧结过程中，以70℃/min的升温速率将温度升至850℃，控制真空度低于10Pa，烧结压力为50MPa，保温时间为20min，得到高性能铜/碳复合材料。
经测试，本实施例中制得的铜/碳复合材料抗压强度为145MPa，致密度为98.5％，电阻率为0.23uΩ.m，摩擦系数0.18左右。

Claims (10)

1.一种高性能铜/碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对碳材料依次进行除油处理、粗化处理；
(2)将步骤(1)后的碳材料加入反应釜中，然后加入强碳化物形成元素的氧化物，再通入过水氢气，进行反应，得到改性碳材料；
(3)将步骤(2)后的改性碳材料加入镀铜液中，然后再加入还原剂，进行反应，得到复合金属层镀覆的铜/碳复合材料前驱体；
(4)将步骤(3)后的铜/碳复合材料前驱体进行烧结，得到高性能铜/碳复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，强碳化物形成元素为钨和/或钼，强碳化物形成元素的氧化物为氧化钨和/或氧化钼，氧化钨的粒径为50nm-5μm，氧化钼的粒径为50nm-5μm；强碳化物形成元素的氧化物和碳材料的质量比为1:5-1:20。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，反应的温度为600-800℃，时间为5-20h，反应过程中辅以搅拌，搅拌速率为200-400r/min。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，镀铜液中含有铜盐，铜盐为硝酸铜、硫酸铜、乙酸铜中的至少一种，铜盐的含量为20-80g/L。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，还原剂为水合肼、甲醛、右旋葡萄糖、酒石酸钾钠、硫酸肼、乙二胺、乙二醛、硼氢化钠、内缩醛、三乙醇胺、丙三醇、鞣酸、米吐尔中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，烧结为真空热压烧结或者放电等离子体烧结；所述真空热压烧结过程中，以10-20℃/min的速度将温度升至800-950℃，真空度≤10-3Pa，压力为20-50MPa，保温时间为3-6h；所述放电等离子体烧结过程中，以50-100℃/min的速度将温度升至700-900℃，真空度≤10Pa，压力为30-50MPa，保温时间为10-20min。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，反应在40-80℃水浴条件下进行。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，除油处理包括以下具体操作步骤：将碳材料加入浓度为0.35-0.65mol/L的NaOH溶液中，煮沸20-30分钟，除去碳材料表面的油脂和污物，再用去离子水清洗至中性；
粗化处理包括以下具体操作步骤：将除油后的碳材料加入浓度为10-30％的稀硝酸中，煮沸20-60分钟，再用去离子水清洗至中性，干燥后得到粗化后的碳材料。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，碳材料为金刚石粉末、球形石墨、鳞片石墨、碳纳米管或者石墨烯中的至少一种；所述金刚石粉末的粒径范围为10-100μm；所述球形石墨或鳞片石墨的粒径为3-100μm；所述碳纳米管的直径为5-20nm，长度为10-100μm；所述石墨烯的粒径为3-100μm，厚度为20-60nm。
10.一种根据权利要求2-9中任一项所述的制备方法制备得到的高性能铜/碳复合材料，其特征在于，所述铜/碳复合材料中包括碳相、碳化物相和铜相，其中碳化物为碳化钨和/或碳化钼，铜相形成了均匀连续的三维网状结构。
CN201811468255.5A 2018-12-03 2018-12-03 一种铜/碳复合材料及其制备方法 Active CN109317665B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811468255.5A CN109317665B (zh) 2018-12-03 2018-12-03 一种铜/碳复合材料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811468255.5A CN109317665B (zh) 2018-12-03 2018-12-03 一种铜/碳复合材料及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109317665A true CN109317665A (zh) 2019-02-12
CN109317665B CN109317665B (zh) 2020-07-17

Family

ID=65256308

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811468255.5A Active CN109317665B (zh) 2018-12-03 2018-12-03 一种铜/碳复合材料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109317665B (zh)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109811280A (zh) * 2019-03-13 2019-05-28 中国科学院电工研究所 一种铜/碳纳米管复合材料及其制备方法
CN110102758A (zh) * 2019-05-28 2019-08-09 中南大学 一种Cu-X/C复合材料及其制备方法
CN110306176A (zh) * 2019-06-26 2019-10-08 中南大学 一种Cu-B/C复合材料及其制备方法
CN110981486A (zh) * 2019-11-22 2020-04-10 大同新成新材料股份有限公司 一种多元碳化物受电弓碳滑条材料制备方法
CN111687417A (zh) * 2020-07-13 2020-09-22 广东省材料与加工研究所 镀铜石墨-铜基复合材料、其制备方法及应用
CN113061768A (zh) * 2021-03-22 2021-07-02 中南大学 一种弥散强化铜基复合材料的制备方法
CN115229199A (zh) * 2022-09-23 2022-10-25 西安稀有金属材料研究院有限公司 诱导形核制备高分散高孔隙率超细二氧化钼和钼粉的方法
WO2024027115A1 (zh) * 2022-08-02 2024-02-08 苏州大学 一种铜修饰氧化石墨烯基复合材料、其制备方法及应用

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63297489A (ja) * 1987-05-29 1988-12-05 Toshiba Corp 工具材用粉末
EP0579376A1 (en) * 1992-06-11 1994-01-19 Novatek Carbide/metal composite material and a process therefor
EP2647430A1 (en) * 2012-04-05 2013-10-09 Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives Method for preparing a catalyst mediating H2 evolution, said catalyst and uses thereof
CN103388142A (zh) * 2013-07-29 2013-11-13 东南大学 一种金刚石表面镀钨的方法
CN103981382A (zh) * 2014-05-22 2014-08-13 武汉理工大学 一种高导热金刚石/铜基复合材料的制备方法
CN106424713A (zh) * 2016-10-13 2017-02-22 中南大学 一种铜碳复合材料及其制备方法
CN106521230A (zh) * 2016-12-06 2017-03-22 湖南科技大学 一种垂直定向散热用的石墨鳞片/铜复合材料及其制备方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63297489A (ja) * 1987-05-29 1988-12-05 Toshiba Corp 工具材用粉末
EP0579376A1 (en) * 1992-06-11 1994-01-19 Novatek Carbide/metal composite material and a process therefor
EP2647430A1 (en) * 2012-04-05 2013-10-09 Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives Method for preparing a catalyst mediating H2 evolution, said catalyst and uses thereof
CN103388142A (zh) * 2013-07-29 2013-11-13 东南大学 一种金刚石表面镀钨的方法
CN103981382A (zh) * 2014-05-22 2014-08-13 武汉理工大学 一种高导热金刚石/铜基复合材料的制备方法
CN106424713A (zh) * 2016-10-13 2017-02-22 中南大学 一种铜碳复合材料及其制备方法
CN106521230A (zh) * 2016-12-06 2017-03-22 湖南科技大学 一种垂直定向散热用的石墨鳞片/铜复合材料及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
程少辉: "金刚石表面金属化处理", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109811280A (zh) * 2019-03-13 2019-05-28 中国科学院电工研究所 一种铜/碳纳米管复合材料及其制备方法
CN110102758A (zh) * 2019-05-28 2019-08-09 中南大学 一种Cu-X/C复合材料及其制备方法
CN110306176A (zh) * 2019-06-26 2019-10-08 中南大学 一种Cu-B/C复合材料及其制备方法
CN110981486A (zh) * 2019-11-22 2020-04-10 大同新成新材料股份有限公司 一种多元碳化物受电弓碳滑条材料制备方法
CN111687417A (zh) * 2020-07-13 2020-09-22 广东省材料与加工研究所 镀铜石墨-铜基复合材料、其制备方法及应用
CN113061768A (zh) * 2021-03-22 2021-07-02 中南大学 一种弥散强化铜基复合材料的制备方法
CN113061768B (zh) * 2021-03-22 2023-08-25 中南大学 一种弥散强化铜基复合材料的制备方法
WO2024027115A1 (zh) * 2022-08-02 2024-02-08 苏州大学 一种铜修饰氧化石墨烯基复合材料、其制备方法及应用
CN115229199A (zh) * 2022-09-23 2022-10-25 西安稀有金属材料研究院有限公司 诱导形核制备高分散高孔隙率超细二氧化钼和钼粉的方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN109317665B (zh) 2020-07-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109317665A (zh) 一种高性能铜/碳复合材料及其制备方法
CN106424713B (zh) 一种铜碳复合材料及其制备方法
CN104846231B (zh) 一种铜基石墨烯复合块体材料的制备方法
CN108330312A (zh) 一种金属包覆的石墨烯增强金属基复合材料的制备方法
CN103388142B (zh) 一种金刚石表面镀钨的方法
CN104018019B (zh) 一种ZrB2/Cu复合材料的制备方法
CN103409732A (zh) 一种金刚石表面金属化的复合处理方法
CN108441662A (zh) 一种金属包覆的碳纳米管增强金属基复合材料的制备方法
CN106544552B (zh) 一种表面处理石墨/低硅混杂增强铝基复合材料及其制备工艺
CN110195167B (zh) 一种镍合金骨架增强金属基复合材料及其制备方法
CN107828979A (zh) 镀铜膨胀石墨增强金属基复合材料的制备方法
CN102747240A (zh) 一种碳纳米管增强镁基复合材料的制备方法
CN109666915A (zh) 一种复合金属层镀覆碳纳米管/石墨烯复合材料的制备方法
CN103302294B (zh) 一种粉末冶金法制备纳米Cu@SiC/Cu基复合材料的方法
CN109338197A (zh) 一种高致密度WC/Co复合材料硬质合金的制备方法
CN102391015A (zh) SiC陶瓷表面处理方法及其用途
CN85100286A (zh) 金刚石表面金属化的技术
CN110102758A (zh) 一种Cu-X/C复合材料及其制备方法
CN106631161B (zh) 一种在碳基材料表面制备抗高温氧化复合涂层的方法
Zhou et al. Effect of Ni2+ concentration on microstructure and bonding capacity of electroless copper plating on carbon fibers
CN104190922A (zh) 石墨颗粒复合镀铜工艺
CN102290260B (zh) 一种电触头及其制备方法
CN104651658A (zh) 一种新型高导热铜基复合材料制备方法
CN114032411B (zh) 一种C/Cu复合材料受电弓滑板及其制备方法
CN111363947A (zh) 一种添加镍合金的银碳化钨石墨复合材料及制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant