CN111172420A - 一种添加富勒烯或富勒烯碳粉的铜基纳米材料制备方法 - Google Patents

一种添加富勒烯或富勒烯碳粉的铜基纳米材料制备方法 Download PDF

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科里佐娃·塔季扬娜
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科贝赫诺·伊利亚
张永春
马腾娇
徐云飞
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Abstract

本发明提出了一种用于制备含有富勒烯的铜基纳米复合材料的方法，包括通过含富勒烯的悬浮液和硝酸铜的水溶液共喷雾干燥制备粉末复合材料，将硝酸铜热分解为氧化物，在氢气气氛中还原氧化铜至金属铜，然后通过热压压实复合材料。该方法可以改善富勒烯分布的均匀性并使杂质最小化，并确保纳米复合材料的机械性能和热物理性能的各向同性。

Description

一种添加富勒烯或富勒烯碳粉的铜基纳米材料制备方法
技术领域
本发明涉及粉末冶金领域，具体涉及各种形状的金属-碳复合材料及其零件的制造，可用于电气工程，汽车，造船，飞机制造等行业。
本发明的技术结果是通过喷雾干燥水溶液，制备含有1-20 vt.％富勒烯、富勒烯混合物或富勒烯碳粉的铜基功能复合材料，具有强度，耐磨性，硬度和高导热性大大提高的特性。具体而言，这些材料可以用于制造传输电能的结构中的电触头。
背景技术
已知一种制备含有富勒烯和铜的超硬复合材料的方法（2014年6月20日的专利RU2012 152 827 A），包括高压和高温对起始组合物的影响，其特征在于主要组分是含有C60富勒烯的碳，添加剂为导热和粘合组分，选自元素周期表中1Va族的元素和/或它们与铜的合金。
已知一种用于制造复合金属基质和碳作为增强组分的方法（2010年5月27日的专利RU 2 536 847 C2），碳的形式为纳米管，纳米纤维，石墨烯，富勒烯，薄片或金刚石，其特征在于，将至少一种组分通过热喷涂喷涂到基材上，并从以下选择附加增强组分：碳化钨，碳化钨，钴，氧化钴，氧化铜，氧化银，氮化钛，铬，镍，硼，碳化硼，因瓦合金，可伐合金，铌，钼，氧化铝，氮化硅，碳化硅，氧化硅 ，钨酸锆和氧化锆。
已知一种制备（RU2635488C1）富勒体增强复合金属基质材料的方法，其特征在于通过富勒烯的机械活化制备金属粉末（包括铜）和富勒烯的混合物，然后压实。
已知一种从具有纳米尺寸增强颗粒（包括富勒烯）的复合金属基质材料（两种金属或合金）制得（RU2485196C1）产品的方法，包括在一定时间内（时长由经验决定）通过将含有基质材料颗粒和尺寸为0.7-100nm体积分数为0.1-50 vt.％的增强纳米颗粒的混合物机械合金化制备复合材料颗粒。
已知一种用于制备铜-碳复合材料的方法（CN106424713），其通过在碳纳米结构上沉积薄镍涂层而在界面处改善其粘附性。 该方法的实质在于通过化学沉积在碳材料的表面上依次沉积镍和铜涂层，之后在低压下在真空中烧结材料。
已知另一种通过在碳纤维上化学沉积铜来制备（CN103726305B）复合材料的方法，其中通过方法（CN101665997A）获得的纤维用作基质。 在该方法中，为了改善铜-碳界面处的键合，在铜还原之前需要耗时且费力的纤维处理。
已知通过烧结粉末组合物获得的复合烧结粉末材料（RU 2009 101 570 A of27.07.2010），所述粉末组合物除含有铜粉和富勒烯之外,还含有0.02-0.04 wt.％的镀铜石墨颗粒，镀铜镍颗粒，镀铜铬颗粒和碳纳米管。
已知一种通过反复轧制制造铜-碳复合材料（CN105880284B）的方法。根据该专利，在初始阶段，对铜板进行退火和脱脂，然后石墨粉末在它们之间均匀地分布，然后对制备的样品进行多次轧制。这种材料可以具有大大增加的硬度（纯铜的3.3倍）和高导电率（高于90％IACS）。
发明内容
本技术方案的目的是开发一种制备确保强化相（富勒烯，富勒烯混合物，富勒烯碳粉）均匀分布的铜基纳米复合材料的方法，且其确保纳米复合材料的机械和热物理性质的各向同性。
上述目的通过以下方案解决：选择喷雾干燥硝酸铜溶液和纳米结构的悬浮液作为引入碳纳米结构的方法。一种制备铜基纳米复合材料的方法，包括：制备0.25-5 wt.％的富勒烯（富勒烯混合物或富勒烯碳粉）的水悬浮液，加入或不加表面活性剂，通过用超声波和/或磁力搅拌器搅拌，制备铜硝酸盐溶液，可以通过共喷涂和干燥获得复合粉末材料。在350-450℃的温度将硝酸铜热分解为含有碳纳米结构的氧化物，时间为30-120分钟。在氢气介质中在500-600℃的温度下，将氧化铜还原成金属铜，时间为100-200分钟。通过在750℃的温度下和400MPa的压力下热压制备致密材料，并且如果需要，随后可进行热轧或热挤压。
该方法的创新在于通过共喷雾干燥碳纳米结构的水悬浮液和硝酸铜来将碳纳米结构引入铜基质中，且已经通过实验测试了本发明制备铜基纳米复合材料的方法。
附图说明
通过结合以下附图的详细描述，将更清楚地理解本发明上述及其他目的，特征和优点。
图1.是通过喷雾干燥获得的Cu-1％富勒烯碳粉（a）和Cu-5％富勒烯碳粉（b）复合粉末的SEM图像
具体实施方法
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述反应物如无特别说明均能从公开商业途径而得。
实施例一
制备20％硝酸铜水溶液，将溶液在140℃的温度下以5ml / min的速率喷雾干燥。在硝酸铜分解成氧化铜之前，在400℃的温度下对所得颗粒进行热处理60分钟。将氧化物颗粒在氢气气氛中在550℃下还原成金属铜，时间为120分钟。通过在750℃的温度下和400MPa的压力下热压将所得粉末压实。材料属性显示在表中。
实施例二
与实施例1类似，但将富勒烯碳粉的悬浮液和硝酸铜溶液一起进行喷雾干燥。通过添加表面活性剂（十二烷基硫酸钠）并使用超声搅拌器搅拌，获得质量分数为1wt.％的富勒烯碳粉的水悬浮液。所得粉末的显微照片示于图1a中。
实施例三
与实施例1类似，但将富勒烯碳粉的悬浮液和硝酸铜溶液一起进行喷雾干燥。通过添加表面活性剂（十二烷基硫酸钠）并使用超声搅拌器搅拌，获得质量分数为5wt.％的富勒烯碳粉的水悬浮液。 所得粉末的显微照片示于图1b中。
富勒烯含量 (vt.%) 摩擦系数 硬度(HB) 导热率(Вт/м*K)
0 0.47 35 332
4.76 0.35 80 391
9.18 0.19 115 330

Claims (2)

1.一种获得富勒烯强化铜基纳米复合材料的方法，包括制备0.25-5macc.%富勒烯（或富勒烯混合物或富勒烯碳粉）的悬浮液，在添加和不添加表面活性剂情况下，通过超声波和/或磁力搅拌器搅拌，硝酸铜水溶液至20 macc.%，联合喷雾干燥使用BUCHI公司的SprayDryB-290设备，在20-160℃下，溶液流速为5至20 ml/min，从而形成由硝酸铜和富勒烯（或富勒烯混合物或富勒烯碳粉）组成的原始粉末，在350-450℃温度下，经30-120分钟将硝酸铜和富勒烯（或富勒烯混合物或富勒烯碳粉）热分解为氧化铜，再在400-600℃温度下，在氢气环境中经30-120分钟将氧化铜还原为金属铜，在650-850℃和300-500MPa的温度下通过热压制备致密材料，且如有必要，可随后热轧或挤压。
2.根据权利要求1所述的方法获得的铜基纳米复合材料富勒烯含量为1-20vol％，且确保纳米复合材料的机械和热物理性质的各向同性。
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