CN109321775B - 一种制备碳纳米管定向排布的铜基复合材料的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制备碳纳米管定向排布的铜基复合材料的方法，属于铜基复合材料领域。本发明通过将碳纳米管均匀分散于水中形成碳纳米管分散液，同时应用铜丝来制备铜基碳纳米管复合材料，将铜丝放入碳纳米管分散液中，铜的比重大会沉入碳纳米管分散液底部，利用液体自身的流动性配合超声振动使得碳纳米管分散液完全包裹住铜丝，再经过干燥得到混合好的铜基碳纳米管原材料，最终经热压烧结制得铜基碳纳米管复合材料。采用该工艺碳纳米管在铜基体中沿着铜丝轴向呈定向排列，压缩、抗弯强度较纯铜均提高了50％以上，导热导电性能与纯铜相比没有下降。

Description

一种制备碳纳米管定向排布的铜基复合材料的方法
技术领域
一种制备碳纳米管定向排布的铜基复合材料的方法，属于铜基复合材料领域。
背景技术
随着我国及世界各国利用太空的广度和深度逐渐提高，对航天器的应用需求不断提高。航天器的体积也在不断增大，由此带来对于机体散热的能力要求也在提高。目前来说，航天器大部分由金属制造，这其中因金属铜的导热导电性能好，同时与银相比有着更低的价格成本，常被应用在导热模块方面。但导热模块多为互相拼接，由电磁力等相互挤压在一起，对纯铜来说，其压缩和抗弯能力不足以达到要求，需要通过复合其他材料来提高其压缩和抗弯能力，同时又不能损失其良好的导电导热能力。碳纳米管具有良好的导电导热性能，理论计算表明，无缺陷的金属性碳纳米管的轴向导电性仅次于超导体。单根单壁碳纳米管在室温下的热导率高于6000W/(m·K)，而单根多壁碳纳米管在室温下的热导率通常也高于 3000W/(m·K)。无论是导电性还是导热性，碳纳米管在理论上都远远高于铜，因此理论上分析，在铜基体内掺杂少量的碳纳米管，其导热导电性会得到大幅度的提高。同时铜基体中加入碳纳米管后，碳纳米管起到弥散强化的作用，也有利于提高铜的力学性能。但是碳纳米管良好的导电导热都是一维方向的，其自身杂乱无规则分布、大量管间相互缠绕团聚会很大程度抑制碳纳米管优异特性的发挥，因此对碳纳米管进行取向排列是目前研究者们研究的一个重点。但从目前报道的性能看，除了使用已经定向排布好的阵列碳纳米管外，不管采用何种方法取向，在铜中加入碳纳米管后，力学性能虽然得到了提高，但是导热导电性能都有明显的下降。制备铜基碳纳米管复合材料时，由于碳纳米管本身大量的互相缠绕团聚，其自身沿着轴向的高导热高导电等优良性质在宏观上反映不出来，同时在铜基体内部其方向性难以一致。因此加入碳纳米管后，复合材料的导热导电性能相比纯铜来说反而大大下降。阵列碳纳米管虽然性能较好，但是制备价格过高，不适宜进行大规模制备。
发明内容
本发明目的是为了提供一种简便的碳纳米管铜基复合材料的制备方法，在保证导热导电性能的前提下，提高复合材料的压缩、抗弯强度。
一种制备碳纳米管定向排布的铜基复合材料的方法，其特征在于先将碳纳米管均匀分散于水中配置碳纳米管水分散液，碳纳米管水分散液的质量百分比为 2-5％；然后将设定量的成束铜丝放入碳纳米管分散液中，铜丝比重大会逐渐沉入到分散液底部，利用液体自身的流动性配合超声振动使得碳纳米管分散液完全包裹住铜丝，再经过干燥得到混合好的铜基碳纳米管原材料，然后热压烧结得到碳纳米管沿着铜丝轴向定向排列的铜基复合材料。
如上所述一种制备碳纳米管定向排布的铜基复合材料的方法，其特征在于具体制备步骤如下：
1)在碳纳米管水分散液加入碳纳米管质量20％-30％的十二烷基磺酸钠等非离子表面活性剂，然后使用细胞破壁机进行超声处理；
2)将分散好的碳纳米管分散液倒入一定体积的方形坩埚中，将坩埚放入超声波清洗器中超声，然后将一定长度，方向一致且不互相缠绕的成束20-30μm 铜丝放入坩埚中，铜丝在自身重力和超声振动下沉入分散液中，碳纳米管分散液会均匀填充在铜丝之间的间隙中并均匀包裹每一根铜丝，填入铜丝与分散液的质量比为2：1；
3)将填充铜丝的分散液置于普通干燥箱中在40℃下干燥12小时去除水分，再放入真空干燥箱中充分进行干燥，干燥温度30-35℃，干燥时间12-15小时，最后将干燥好的铜丝和碳纳米管混合原材料进行热压烧结得到碳纳米管定向排布的铜基复合材料。
进一步地，所述热压烧结的温度为1000-1020℃，保温时间1.5小时，烧结压力30MPa。
采用该方法碳纳米管在铜基体中沿着铜丝轴向呈定向排列，其压缩、抗弯性能较纯铜均提高了50％以上，而导热导电性能与纯铜相比没有明显下降。
本发明的优点在于，(1)将碳纳米管分散在水中，一定程度上解决了碳纳米管本身互相缠绕团聚影响性能的问题，同时还有助于碳纳米管在铜中的均匀分布； (2)采用铜丝而不是粉末冶金常用的铜粉进行复合，有助于碳纳米管沿着铜丝轴向取向排列。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
(1)制备定向排布的1wt％碳纳米管铜基复合材料
首先配置出碳纳米管质量分数为2％的碳纳米管水分散液，在97.6g水中溶解0.4g十二烷基磺酸钠，加入2g碳纳米管，使用细胞破壁机进行超声处理。将配置好的碳纳米管分散液100g倒入40×50mm大小的方形坩埚中，将坩埚放入超声波清洗器中超声，把成束的方向一致且不互相缠绕的50mm长，直径20μm铜丝放入坩埚中，在铜丝自身重力和超声振动下铜丝沉入水中，碳纳米管分散液完全包裹住铜丝。铜丝放入的质量为200g。将坩埚放入干燥箱干燥，待液体消失后放入真空干燥箱干燥，最后采用热压烧结在1000℃，30Mpa压力下，保温1.5h制备出定向排布的1wt％碳纳米管铜基复合材料。其压缩强度为455Mpa，抗弯强度283Mpa，电导率为57.5×106M/s，热导率为385W/(m·K)，相比于纯铜的压缩强度300Mpa，抗弯强度180-200Mpa，电导率57.1×106M/s，热导率380W/(m·K)，抗弯、压缩强度提高了50％，同时导电导热性没有下降。
(2)制备定向排布的2wt％碳纳米管铜基复合材料
首先配置出碳纳米管质量分数为4％的碳纳米管水分散液，在95.2g水中溶解0.8g十二烷基磺酸钠，加入4g碳纳米管，使用细胞破壁机进行超声处理。将配置好的的碳纳米管分散液100g倒入40×50mm大小的方形坩埚中，将坩埚放入超声波清洗器中超声，把成束的方向一致且不互相缠绕的50mm长，直径30μm铜丝放入坩埚中，在铜丝自身重力和超声振动下铜丝沉入水中，碳纳米管分散液完全包裹住铜丝。铜丝放入的质量为200g。将坩埚放入干燥箱干燥，待液体消失后放入真空干燥箱干燥。最后使用热压烧结分别在1020℃，30Mpa压力下，保温1.5h 制备出定向排布的2wt％碳纳米管铜基复合材料。其压缩强度分别为505Mpa，抗弯强度337Mpa，电导率为57.7×106M/s，热导率为381W/(m·K)，相比于纯铜的压缩强度300Mpa，抗弯强度180-200Mpa，电导率57.1×106M/s，热导率380 W/(m·K)，抗弯、压缩性能提高了50％，导电导热性没有下降。

Claims (2)

1.一种制备碳纳米管定向排布的铜基复合材料的方法，其特征在于先将碳纳米管均匀分散于水中配置碳纳米管水分散液，碳纳米管在碳纳米管水分散液的质量百分比为2-5％；然后将设定量的成束铜丝放入碳纳米管分散液中，铜丝比重大会逐渐沉入到分散液底部，利用液体自身的流动性配合超声振动使得碳纳米管分散液完全包裹住铜丝，再经过干燥得到混合好的铜基碳纳米管原材料，然后热压烧结得到碳纳米管沿着铜丝轴向定向排列的铜基复合材料；
具体制备步骤如下：
1)在碳纳米管水分散液加入碳纳米管质量20％-30％的十二烷基磺酸钠非离子表面活性剂，然后使用细胞破壁机进行超声处理；
2)将分散好的碳纳米管分散液倒入一定体积的方形坩埚中，将坩埚放入超声波清洗器中超声，然后将一定长度，方向一致且不互相缠绕的成束20-30μm铜丝放入坩埚中，铜丝在自身重力和超声振动下沉入分散液中，碳纳米管分散液会均匀填充在铜丝之间的间隙中并均匀包裹每一根铜丝，填入铜丝与分散液的质量比为2：1；
3)将填充铜丝的分散液置于普通干燥箱中在40℃下干燥12小时去除水分，再放入真空干燥箱中充分进行干燥，干燥温度30-35℃，干燥时间12-15小时，最后将干燥好的铜丝和碳纳米管混合原材料进行热压烧结得到碳纳米管定向排布的铜基复合材料。
2.如权利要求1所述一种制备碳纳米管定向排布的铜基复合材料的方法，其特征在于热压烧结的温度为1000-1020℃，保温时间1.5小时，烧结压力30MPa。
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