CN109825734B - 协同增强铜基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种协同增强铜基复合材料及其制备方法，该协同增强铜基复合材料采用碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene作为增强相；该方法包括：制备碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene的水性分散液；将分散液加入到铜盐水溶液中，再加入碱性溶液形成氢氧化铜、加入还原剂将氢氧化铜还原为氧化亚铜；过滤、清洗和干燥，得到复合粉末；将复合粉末中氧化亚铜还原为铜；对铜基复合粉末进行放电等离子体烧结。本发明利用碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene的维度协同作用，得到力学性能显著提高的铜基复合材料；运用分子级共混的方法得到分散均匀、结合牢固的铜基复合粉末；采用放电等离子体烧结，使得Cu晶粒生长被有效抑制。
Description
技术领域
本发明涉及一种铜基复合材料及其制备方法。
背景技术
铜是一种十分重要的工业材料，被广泛应用在电气行业中。除了拥有一般金属的共性优点外，铜还具有高导电率和导热率且易于加工等优点，但是铜的硬度低、强度低、耐磨性差等缺点也限制了其在工业中的广泛应用。为了解决这一问题，通常是采用第二相强化和弥散强化的方法。近年来，原位复合技术，由于其在复合过程中形成的反应界面加强了基体与增强体之间的结合，同样在铜基增强复合材料领域得到应用。
例如，中国专利文献CN102978434A公开了一种采用短纤维与颗粒协同增强的铜基复合材料。其中，短纤维的含量为0.1％～2％wt，增强体颗粒的含量为0.1％～10％wt；短纤维可以是碳纳米管、纳米碳纤维、陶瓷短纤维等，增强相颗粒可以是氧化铝、氧化锆、氧化镁、二氧化钛、碳化硅、碳化钛、碳化钨、氮化硅、氮化铝、氮化钛、二硼化钛、Ti3SiC2等。该铜基复合材料经混合、成形、烧结而成。
中国专利文献CN108384979A公开了一种混杂增强铜基复合材料，其含有三种增强体：CNTs、TiB2和TiC，CNTs呈层状分布，TiB2和TiC弥散分布于铜基体中，形成了三种增强体协同增强的复合结构。CNTs呈现出取向一致的层叠状分布，有利于发挥CNTs分担基体载荷、提高复合材料韧性的作用；通过在CNTs层叠之间的铜基体中引入尺寸细小且分布均匀的TiB2和TiC颗粒，增加了材料变形过程中位错运动的阻力，其和CNTs的强化作用相互补充，提高了材料的强度。
中国专利文献CN101613816A公开了一种原位生成多元弥散强化铜基复合材料及其制备方法，其增强相包括以下物质中的至少三种：0.3％≤碳化钛≤5％、0.3％≤碳化锆≤5％、0.3％≤氧化铝≤5％，0.3％≤硼化钛≤5％，0.1％≤碳化铝≤5％，0.3％≤氧化铬≤5％，0.3％≤氧化锆≤5％，0.1％≤石墨≤1％；余量为Cu。增强相物质的粒度分别在10nm-10μm之间。制备方法采用球磨、压制、烧结、挤压工艺，获得多元弥散增强的铜基复合材料。
中国专利文献CN103981393A公开了一种碳纳米管-金属复合增强铜基复合材料及其制备方法；其中，将含金属元素和铜离子的可溶性盐类、碳纳米管配置成溶胶，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。
中国专利文献CN108913930A公开了一种碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法，其包括以下步骤：碳纳米管的酸化处理；碳纳米管的分散；碳纳米管的溶解；注射成型；脱脂和烧结。其中，通过加入粘结剂，改善了碳纳米管与金属之间的润湿性，提高界面结合强度，以期解决碳纳米管在铜基体中的团聚问题。
增强相的选择、增强相在铜基体中的分布及其与铜之间的界面结合强度均对铜基复合材料的力学性能具有重要影响，现有技术在这些方面进行了大量研究，但仍存在诸多不足，有待于进一步改进。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种制备具有优异且稳定力学性能的协同增强铜基复合材料的方法。
本发明的另一目的是提供一种具有优异且稳定力学性能的协同增强铜基复合材料。
为了实现上述的主要目的，本发明的第一方面提供了一种制备协同增强铜基复合材料的方法，该协同增强铜基复合材料中碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene的质量比为1:1:1～10，且碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene的质量和占所述铜基复合材料总质量的0.03～0.9％，该方法包括如下步骤：
S101：将阳离子表面活性剂、碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene按预定比例加入去离子水中，室温下超声分散，得到分散液；
S103：将分散液按预定比例加入到铜离子浓度为6.4～64g/L的铜盐水溶液中，搅拌均匀后加入碱性溶液，得到包括氢氧化铜的悬浊液；
S105：将悬浊液加热至50～100℃，继续搅拌并向其中加入还原剂将氢氧化铜还原为氧化亚铜；
S107：将步骤S105所得产物过滤、清洗和干燥，得到碳量子点、碳纳米管、Ti3C2Mxene和氧化亚铜的复合粉末；
S109：将复合粉末置于还原炉内，加热并通入还原气体将氧化亚铜还原为铜，得到分子级共混的铜基复合粉末；
S111：对铜基复合粉末进行放电等离子体烧结，得到碳量子点、碳纳米管和Ti3C2Mxene协同增强的铜基复合材料。
上述技术方案中，通过对碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene之间比例的控制而使其很好地产生协同效应，Ti3C2和碳纳米管为复合第二相，主要通过提高载荷传递来提升铜的力学性能；碳量子点则作为弥散相，通过阻碍位错运动来提升铜的力学性能。特别地，由于碳量子点的化学性质稳定，铜基复合材料的制备及变形过程中几乎不会发生颗粒长大或与基体反应，从而保证了材料强度的稳定性。由于碳量子点尺寸小(小于10nm)，其可以均匀地分散在铜基体中，在外力作用下形变和蠕变所产生的位错迁移都需要绕过碳量子点，因此需要额外的能量，从而提高基体的强度。另外，碳量子点的本质形状是球形，对任意原子面上的位错具有相同阻力，可以保证材料强度的各向同性。
上述技术方案中，首先采用阳离子表面活性剂并结合超声分散使得作为增强相的碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene在水中均匀分散；然后通过运用分子级共混的方法，在增强相上原位生长氧化亚铜颗粒，并通过加热还原使氧化亚铜还原为单质铜，这一工艺不仅使铜与增强相之间的结合更紧密，解决了增强相与铜润湿性差的问题，也使得增强相在铜中分布更均匀，明显抑制了增强相的过度团聚。
上述技术方案中，选用放电等离子体烧结(SPS)工艺，在短时间局部高温的作用下，Ti3C2中的部分Ti会向铜基体中扩散，形成CuTi过渡界面，进一步加强了铜基体与增强相之间的结合。并且，由于SPS烧结时间短，可有效抑制烧结过程中的铜晶粒长大，从而提高材料的力学性能。
优选地，所述的阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵或十八烷基三甲基氯化铵，其可以使得碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene在水中达到更佳的分散状态。
优选地，步骤S101中，阳离子表面活性剂、碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene的质量总和为分散液的0.4～1.2％，且碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene的质量和与阳离子表面活性剂的质量之比为3:1～15:1。更优选地，碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene的质量和与阳离子表面活性剂的质量之比为3:1～10:1。
根据本发明的一种具体实施方式，所述的铜盐为硫酸铜、硝酸铜、乙酸铜和氯化铜中的任意一种或多种。
根据本发明的一种具体实施方式，所述的还原剂为葡萄糖、柠檬酸和水合肼中的任意一种或多种。
根据本发明的一种具体实施方式，所述的还原气体为H2或CO，或为氮气、氩气、氦气中的至少一种与H2或CO的混合气。
根据本发明的一种具体实施方式，步骤S109中，还原炉的升温速率为10～15℃/min，在250～350℃保温1～3h；所得到的铜基复合粉末随炉冷却。
根据本发明的一种具体实施方式，步骤S111中放电等离子体烧结的工艺参数为：升温速率50～150℃/min，烧结温度600～900℃，烧结压力40～60MPa，保温时间5～30min。
优选地，放电等离子体烧结的工艺参数为：升温速率50～150℃/min，烧结温度600～700℃，烧结压力40～50MPa，保温时间5～15min。
为了实现上述的另一目的，本发明的另一方面提供了一种协同增强铜基复合材料，该铜基复合材料中碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene的质量比为1:1:1～10，且碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene的质量和占所述铜基复合材料总质量的0.03～0.9％。
优选地，铜基复合材料中碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene的质量比为1:1:2～6，且碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene的质量和占所述铜基复合材料总质量的0.11～0.19％。
本发明的协同增强铜基复合材料利用了提高载荷传递和弥散强化协同作用的强化机制，其中Ti3C2和碳纳米管为复合第二相，主要通过提高载荷传递来提升铜的力学性能；碳量子点则作为弥散相，通过阻碍位错运动来提升铜的力学性能。由于碳量子点尺寸小，其可以均匀地分散在铜基体中，在外力作用下形变和蠕变所产生的位错迁移都需要绕过碳量子点，因此需要额外的能量，从而提高材料的强度。另外，碳量子点的本质形状是球形，对任意原子面上的位错具有相同阻力，可以保证材料强度的各向同性。特别地，由于碳量子点的化学性质稳定，在变形过程中几乎不会发生颗粒长大或与基体反应，从而保证了材料强度的稳定性。
鉴于上述的特性，本发明的铜基复合材料可用于高铁滑轮导轨、耐磨电气接头和飞行器结构件等方面。
为了更清楚地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1为实施例1制备的协同增强铜基复合材料的SEM图；
图2为本发明抗拉强度测试样品的尺寸示意图。
具体实施方式
本发明所提供的协同增强铜基复合材料，其中碳量子点、碳纳米管(CNTs)和Ti3C2Mxene的质量比为1:1:1～10，且碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene的质量和占铜基复合材料总质量的0.03％～0.9％；优选地，铜基复合材料中碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene的质量比为1:1:2～6，且碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene的质量和占铜基复合材料总质量的0.11～0.19％。其制备方法实施例如下：
实施例1
S101：将十六烷基三甲基溴化铵、碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene按照1:1:1:1的质量比依次加入去离子水中，在室温下超声分散10min，得到分散液；其中，十六烷基三甲基溴化铵、碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene的质量总和为分散液的1.2％；
S103：将1体积份的分散液逐滴加入到200体积份的铜离子浓度为6.4g/L的乙酸铜水溶液中，以100r/min的转速搅拌5min后，加入20体积份质量分数为5％的NaOH溶液，得到包括氢氧化铜的悬浊液；
S105：将悬浊液加热到50℃，继续搅拌并向其中加入1体积份质量分数为1％的水合肼溶液，将其中的氢氧化铜还原为氧化亚铜；
S107：将步骤S105所得产物过滤、清洗、干燥，得到碳量子点、碳纳米管、Ti3C2Mxene和氧化亚铜的复合粉末；
S109：将复合粉末置于还原炉内，通入氢气，控制还原炉的升温速率为10℃/min，在250℃保温1h；氧化亚铜还原为铜，得到分子级共混的铜基复合粉末，该铜基复合粉末随炉冷却；
S111：对铜基复合粉末进行放电等离子体烧结，得到碳量子点、碳纳米管和Ti3C2Mxene协同增强的铜基复合材料。其中，放电等离子体烧结的工艺参数为：升温速率50℃/min，烧结温度600℃，烧结压力40MPa，保温时间5min。
实施例1制备的协同增强铜基复合材料的SEM图如图1所示。
实施例2
S101：将十六烷基三甲基溴化铵、碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene按照1:1:1:2的质量比依次加入去离子水中，在室温下超声分散20min，得到分散液；其中，十六烷基三甲基溴化铵、碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene的质量总和为分散液的0.5％；
S103：将1体积份的分散液逐滴加入到200体积份的铜离子浓度为12.8g/L的乙酸铜水溶液中，以200r/min的转速搅拌10min后，加入20体积份质量分数为6％的NaOH溶液，得到包括氢氧化铜的悬浊液；
S105：将悬浊液加热到75℃，继续搅拌并向其中加入15体积份质量分数为15％的葡萄糖溶液，将其中的氢氧化铜还原为氧化亚铜；
S107：将步骤S105所得产物过滤、清洗、干燥，得到碳量子点、碳纳米管、Ti3C2Mxene和氧化亚铜的复合粉末；
S109：将复合粉末置于还原炉内，通入氢气，控制还原炉的升温速率为15℃/min，在300℃保温2h；氧化亚铜还原为铜，得到分子级共混的铜基复合粉末，该铜基复合粉末随炉冷却；
S111：对铜基复合粉末进行放电等离子体烧结，得到碳量子点、碳纳米管和Ti3C2Mxene协同增强的铜基复合材料。其中，放电等离子体烧结的工艺参数为：升温速率100℃/min，烧结温度650℃，烧结压力50MPa，保温时间15min。
实施例3
S101：将十六烷基三甲基溴化铵、碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene按照1:1:1:3的质量比依次加入去离子水中，在室温下超声分散30min，得到分散液；其中，十六烷基三甲基溴化铵、碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene的质量总和为分散液的0.6％；
S103：将1体积份的分散液逐滴加入到200体积份的铜离子浓度为19.2g/L的乙酸铜水溶液中，以300r/min的转速搅拌10min后，加入20体积份质量分数为7％的NaOH溶液，得到包括氢氧化铜的悬浊液；
S105：将悬浊液加热到100℃，继续搅拌并向其中加入15体积份质量分数为20％的葡萄糖溶液，将其中的氢氧化铜还原为氧化亚铜；
S107：将步骤S105所得产物过滤、清洗、干燥，得到碳量子点、碳纳米管、Ti3C2Mxene和氧化亚铜的复合粉末；
S109：将复合粉末置于还原炉内，通入氢气，控制还原炉的升温速率为15℃/min，在350℃保温3h；氧化亚铜还原为铜，得到分子级共混的铜基复合粉末，该铜基复合粉末随炉冷却；
S111：对铜基复合粉末进行放电等离子体烧结，得到碳量子点、碳纳米管和Ti3C2Mxene协同增强的铜基复合材料。其中，放电等离子体烧结的工艺参数为：升温速率150℃/min，烧结温度900℃，烧结压力60MPa，保温时间30min。
实施例4
S101：将十六烷基三甲基溴化铵、碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene按照1:1:1:4的质量比依次加入去离子水中，在室温下超声分散30min，得到分散液；其中，十六烷基三甲基溴化铵、碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene的质量总和为分散液的0.7％；
S103：将1体积份的分散液逐滴加入到200体积份的铜离子浓度为25.6g/L的乙酸铜水溶液中，以300r/min的转速搅拌10min后，加入20体积份质量分数为5％的NaOH溶液，得到包括氢氧化铜的悬浊液；
S105：将悬浊液加热到100℃，继续搅拌并向其中加入15体积份质量分数为25％的葡萄糖溶液，将其中的氢氧化铜还原为氧化亚铜；
S107：将步骤S105所得产物过滤、清洗、干燥，得到碳量子点、碳纳米管、Ti3C2Mxene和氧化亚铜的复合粉末；
S109：将复合粉末置于还原炉内，通入氢气，控制还原炉的升温速率为15℃/min，在350℃保温3h；氧化亚铜还原为铜，得到分子级共混的铜基复合粉末，该铜基复合粉末随炉冷却；
S111：对铜基复合粉末进行放电等离子体烧结，得到碳量子点、碳纳米管和Ti3C2Mxene协同增强的铜基复合材料。其中，放电等离子体烧结的工艺参数为：升温速率150℃/min，烧结温度900℃，烧结压力50MPa，保温时间30min。
实施例5
S101：将十六烷基三甲基溴化铵、碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene按照1:1:1:5的质量比依次加入去离子水中，在室温下超声分散30min，得到分散液；其中，十六烷基三甲基溴化铵、碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene的质量总和为分散液的0.8％；
S103：将1体积份的分散液逐滴加入到200体积份的铜离子浓度为32g/L的乙酸铜溶液中，以300r/min的转速搅拌10min后，加入20体积份质量分数为5％的NaOH溶液，得到包括氢氧化铜的悬浊液；
S105：将悬浊液加热到100℃，继续搅拌并向其中加入15体积份质量分数为30％的葡萄糖溶液，将其中的氢氧化铜还原为氧化亚铜；
S107：将步骤S105所得产物过滤、清洗、干燥，得到碳量子点、碳纳米管、Ti3C2Mxene和氧化亚铜的复合粉末；
S109：将复合粉末置于还原炉内，通入氢气，控制还原炉的升温速率为15℃/min，在350℃保温3h；氧化亚铜还原为铜，得到分子级共混的铜基复合粉末，该铜基复合粉末随炉冷却；
S111：对铜基复合粉末进行放电等离子体烧结，得到碳量子点、碳纳米管和Ti3C2Mxene协同增强的铜基复合材料。其中，放电等离子体烧结的工艺参数为：升温速率150℃/min，烧结温度900℃，烧结压力60MPa，保温时间30min。
实施例6
S101：将十八烷基三甲基氯化铵、碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene按照1:1:1:6的质量比依次加入去离子水中，在室温下超声分散30min，得到分散液；其中，十八烷基三甲基氯化铵、碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene的质量总和为分散液的0.9％；
S103：将1体积份的分散液逐滴加入到200体积份的铜离子浓度为38.4g/L的乙酸铜溶液中，以100r/min的转速搅拌5min后，加入20体积份质量分数为6％的NaOH溶液，得到包括氢氧化铜的悬浊液；
S105：将悬浊液加热到100℃，继续搅拌并向其中加入15体积份质量分数为35％的柠檬酸溶液，将其中的氢氧化铜还原为氧化亚铜；
S107：将步骤S105所得产物过滤、清洗、干燥，得到碳量子点、碳纳米管、Ti3C2Mxene和氧化亚铜的复合粉末；
S109：将复合粉末置于还原炉内，通入氢气，控制还原炉的升温速率为15℃/min，在350℃保温3h；氧化亚铜还原为铜，得到分子级共混的铜基复合粉末，该铜基复合粉末随炉冷却；
S111：对铜基复合粉末进行放电等离子体烧结，得到碳量子点、碳纳米管和Ti3C2Mxene协同增强的铜基复合材料。其中，放电等离子体烧结的工艺参数为：升温速率150℃/min，烧结温度700℃，烧结压力50MPa，保温时间10min。
实施例7
S101：将十八烷基三甲基氯化铵、碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene按照1:1:1:7的质量比依次加入去离子水中，在室温下超声分散30min，得到分散液；其中，十八烷基三甲基氯化铵、碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene的质量总和为分散液的1％；
S103：将1体积份的分散液逐滴加入到200体积份的铜离子浓度为44.8g/L的乙酸铜溶液中，以100r/min的转速搅拌5min后，加入20体积份质量分数为7％的NaOH溶液，得到包括氢氧化铜的悬浊液；
S105：将悬浊液加热到100℃，继续搅拌并向其中加入15体积份质量分数为40％的柠檬酸溶液，将其中的氢氧化铜还原为氧化亚铜；
S107：将步骤S105所得产物过滤、清洗、干燥，得到碳量子点、碳纳米管、Ti3C2Mxene和氧化亚铜的复合粉末；
S109：将复合粉末置于还原炉内，通入氢气，控制还原炉的升温速率为15℃/min，在350℃保温3h；氧化亚铜还原为铜，得到分子级共混的铜基复合粉末，该铜基复合粉末随炉冷却；
S111：对铜基复合粉末进行放电等离子体烧结，得到碳量子点、碳纳米管和Ti3C2Mxene协同增强的铜基复合材料。其中，放电等离子体烧结的工艺参数为：升温速率150℃/min，烧结温度850℃，烧结压力60MPa，保温时间30min。
实施例8
S101：将十八烷基三甲基氯化铵、碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene按照1:1:1:8的质量比依次加入去离子水中，在室温下超声分散30min，得到分散液；其中，十八烷基三甲基氯化铵、碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene的质量总和为分散液的1.1％；
S103：将1体积份的分散液逐滴加入到200体积份的铜离子浓度为51.2g/L的乙酸铜溶液中，以100r/min的转速搅拌5min后，加入20体积份质量分数为8％的NaOH溶液，得到包括氢氧化铜的悬浊液；
S105：将悬浊液加热到100℃，继续搅拌并向其中加入15体积份质量分数为45％的柠檬酸溶液，将其中的氢氧化铜还原为氧化亚铜；
S107：将步骤S105所得产物过滤、清洗、干燥，得到碳量子点、碳纳米管、Ti3C2Mxene和氧化亚铜的复合粉末；
S109：将复合粉末置于还原炉内，通入氢气，控制还原炉的升温速率为15℃/min，在350℃保温3h；氧化亚铜还原为铜，得到分子级共混的铜基复合粉末，该铜基复合粉末随炉冷却；
S111：对铜基复合粉末进行放电等离子体烧结，得到碳量子点、碳纳米管和Ti3C2Mxene协同增强的铜基复合材料。其中，放电等离子体烧结的工艺参数为：升温速率150℃/min，烧结温度800℃，烧结压力50MPa，保温时间30min。
实施例9
S101：将十八烷基三甲基氯化铵、碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene按照1:1:1:10的质量比依次加入去离子水中，在室温下超声分散30min，得到分散液；其中，十八烷基三甲基氯化铵、碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene的质量总和为分散液的0.4％；
S103：将1体积份的分散液逐滴加入到200体积份的铜离子浓度为64g/L的乙酸铜溶液中，以300r/min的转速搅拌10min后，加入20体积份质量分数为8％的NaOH溶液，得到包括氢氧化铜的悬浊液；
S105：将悬浊液加热到100℃，继续搅拌并向其中加入15体积份质量分数为50％的柠檬酸溶液，将其中的氢氧化铜还原为氧化亚铜；
S107：将步骤S105所得产物过滤、清洗、干燥，得到碳量子点、碳纳米管、Ti3C2Mxene和氧化亚铜的复合粉末；
S109：将复合粉末置于还原炉内，通入氢气，控制还原炉的升温速率为15℃/min，在350℃保温3h；氧化亚铜还原为铜，得到分子级共混的铜基复合粉末，该铜基复合粉末随炉冷却；
S111：对铜基复合粉末进行放电等离子体烧结，得到碳量子点、碳纳米管和Ti3C2Mxene协同增强的铜基复合材料。其中，放电等离子体烧结的工艺参数为：升温速率150℃/min，烧结温度800℃，烧结压力50MPa，保温时间30min。
对比例1
S101：将十六烷基三甲基溴化铵和碳量子点按照1:3的质量比依次加入去离子水中，在室温下超声分散10min，得到分散液；其中，十六烷基三甲基溴化铵和碳量子点的质量总和为分散液的0.4％；
S103：将1体积份的分散液逐滴加入到200体积份的铜离子浓度为6.4g/L的乙酸铜水溶液中，以100r/min的转速搅拌5min后，加入20体积份质量分数为5％的NaOH溶液，得到包括氢氧化铜的悬浊液；
S105：将悬浊液加热到50℃，继续搅拌并向其中加入1体积份质量分数为1％的水合肼溶液，将其中的氢氧化铜还原为氧化亚铜；
S107：将步骤S105所得产物过滤、清洗、干燥，得到碳量子点和氧化亚铜的复合粉末；
S109：将复合粉末置于还原炉内，通入氢气，控制还原炉的升温速率为10℃/min，在280℃保温1h；氧化亚铜还原为铜，得到分子级共混的铜基复合粉末，该铜基复合粉末随炉冷却；
S111：对铜基复合粉末进行放电等离子体烧结，得到碳量子点增强的铜基复合材料。其中，放电等离子体烧结的工艺参数为：升温速率50℃/min，烧结温度600℃，烧结压力40MPa，保温时间5min。
对比例2
S101：将十六烷基三甲基溴化铵、碳纳米管和Ti3C2 Mxene按照1:1.5:1.5的质量比依次加入去离子水中，在室温下超声分散10min，得到分散液；其中，十六烷基三甲基溴化铵、碳纳米管和Ti3C2 Mxene的质量总和为分散液的0.4％；
S103：将1体积份的分散液逐滴加入到200体积份的铜离子浓度为6.4g/L的乙酸铜水溶液中，以100r/min的转速搅拌5min后，加入20体积份质量分数为5％的NaOH溶液，得到包括氢氧化铜的悬浊液；
S105：将悬浊液加热到50℃，继续搅拌并向其中加入1体积份质量分数为1％的水合肼溶液，将其中的氢氧化铜还原为氧化亚铜；
S107：将步骤S105所得产物过滤、清洗、干燥，得到碳纳米管、Ti3C2 Mxene和氧化亚铜的复合粉末；
S109：将复合粉末置于还原炉内，通入氢气，控制还原炉的升温速率为10℃/min，在280℃保温1h；氧化亚铜还原为铜，得到分子级共混的铜基复合粉末，该铜基复合粉末随炉冷却；
S111：对铜基复合粉末进行放电等离子体烧结，得到碳纳米管和Ti3C2 Mxene增强的铜基复合材料。其中，放电等离子体烧结的工艺参数为：升温速率50℃/min，烧结温度600℃，烧结压力40MPa，保温时间5min。
对上述实施例和对比例所得铜基复合材料的抗拉强度进行了测定，测定步骤如下：首先将烧结后的样品切割为如图2所示的工字样，然后将其用夹具固定在万能力学试验机上，测定出抗拉强度值。图2中，L1＝25cm，L2＝15cm，L3＝12cm，L4＝5cm，L5＝4cm，R＝2cm；样品厚度为2mm。
所得测定结果如下表1所示：
表1：实施例和对比例所得铜基复合材料的抗拉强度测定结果
由表1可见，实施例1至9中铜基复合材料的强度均在325MPa以上，特别是实施例1、2和6所制备铜基复合材料的强度均在350MPa以上，远远高于纯铜的240MPa。另外，由实施例1和对比例1-2的对比可知，碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene之间产生了明显的协同效应，显著提高了铜基复合材料的力学性能。
虽然本发明以具体实施例揭露如上，但应理解该等具体实施例并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的保护范围所涵盖。因此，本发明的保护范围当以权利要求所界定者为准。
Claims (9)
1.一种制备协同增强铜基复合材料的方法，其特征在于，所述协同增强铜基复合材料中碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene的质量比为1:1:1～10，且所述碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene的质量和占所述铜基复合材料总质量的0.03～0.9％，所述方法包括如下步骤：
S101：将阳离子表面活性剂、碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene按预定比例加入去离子水中，室温下超声分散，得到分散液；
S103：将所述分散液按预定比例加入到铜离子浓度为6.4～64g/L的铜盐水溶液中，搅拌均匀后加入碱性溶液，得到包括氢氧化铜的悬浊液；
S105：将所述悬浊液加热至50～100℃，继续搅拌并向其中加入还原剂将所述氢氧化铜还原为氧化亚铜；
S107：将步骤S105所得产物过滤、清洗和干燥，得到碳量子点、碳纳米管、Ti3C2 Mxene和氧化亚铜的复合粉末；
S109：将所述复合粉末置于还原炉内，加热并通入还原气体将氧化亚铜还原为铜，得到分子级共混的铜基复合粉末；
S111：对所述铜基复合粉末进行放电等离子体烧结，得到碳量子点、碳纳米管和Ti3C2Mxene协同增强的铜基复合材料；
步骤S111中放电等离子体烧结的工艺参数为：升温速率50～150℃/min，烧结温度600～900℃，烧结压力40～60MPa，保温时间5～30min。
2.如权利要求1所述制备协同增强铜基复合材料的方法，其特征在于：所述阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵或十八烷基三甲基氯化铵。
3.如权利要求1所述制备协同增强铜基复合材料的方法，其特征在于：步骤S101中，所述阳离子表面活性剂、碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene的质量总和为所述分散液的0.4～1.2％，且所述碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene的质量和与所述阳离子表面活性剂的质量之比为3:1～15:1。
4.如权利要求1所述制备协同增强铜基复合材料的方法，其特征在于：所述铜盐为硫酸铜、硝酸铜、乙酸铜和氯化铜中的任意一种或多种。
5.如权利要求1所述制备协同增强铜基复合材料的方法，其特征在于：所述还原剂为葡萄糖、柠檬酸和水合肼中的任意一种或多种。
6.如权利要求1所述制备协同增强铜基复合材料的方法，其特征在于：所述还原气体为H2或CO，或为氮气、氩气、氦气中的至少一种与H2或CO的混合气。
7.如权利要求1所述制备协同增强铜基复合材料的方法，其特征在于：步骤S109中，还原炉的升温速率为10～15℃/min，在250～350℃保温1～3h；所得到的铜基复合粉末随炉冷却。
8.一种协同增强铜基复合材料，其特征在于，所述铜基复合材料中碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene的质量比为1:1:1～10，且所述碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene的质量和占所述铜基复合材料总质量的0.03％～0.9％。
9.如权利要求8所述的协同增强铜基复合材料，其特征在于：所述铜基复合材料中碳量子点、碳纳米管和Ti3C2 Mxene的质量比为1:1:2～6，且所述碳量子点、碳纳米管和Ti3C2Mxene的质量和占所述铜基复合材料总质量的0.11～0.19％。
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