CN112458518B - 一种高电导率铜基复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高电导率铜基复合材料的制备方法，以铜箔为基体，运用电泳沉积的方法，将碳量子点沉积到铜箔基体上，并根据电泳沉积参数的不同选择性地采用气氛炉还原处理或真空退火处理，最终得到一种高电导率的碳量子点‑铜基复合材料；本发明方法制备的复合铜基复合材料，碳量子点分布均匀，碳层致密，且与铜基复合材料基体结合牢固，相对于单一铜基体的电导率和耐氧化性得到了较大的提升，可广泛应用于集成电路、锂电池负极、电磁屏蔽和热管理等领域。

Description

一种高电导率铜基复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高电导率铜基复合材料的制备方法，属于复合材料和材料制备领域。
背景技术
高性能铜基复合材料，一般指抗拉强度（Gb）为纯铜2-10倍(350-2000MPa)，导电率一般为纯铜50%~95%。其主要应用领域电子信息产业超大规模集成电路引线框架，国防军工用电子对抗，雷达，大功率军用微波管，高脉冲磁场导体，核装备和运载火箭，高速轨道交通用架空导线，300-1250kW大功率调频调速异步牵引电动机导条与端环，汽车工业用电阻焊电极头，冶金工业用连铸机结晶器，电真空器件和电器工程用开关触桥等，因此这类材料在众多高新技术领域有着广阔应用前景。高性能铜基复合材料可以实现电阻的大幅度下降，从而带来铜耗的直接降低，无论在哪个领域应用都可以使效率全面提升。例如对于电动机而言，电流容量和导热能力的提升会提高电密和热负荷的选择上限，带来定子的体积的减小、转矩和功率密度上升。高导电的铜基材料不仅对电机性能的提升有利，也可以应用到变频器中，提高变频效率，此外还可以应用到电网输配电上，带来电损的降低，有利于节约能耗和成本。
制备高性能铜基复合材料的关键在于其成型工艺，通过前期的研究和探索，发现如何收集和制备高品质的碳材料；使碳材料具有一定方向排列和增加碳材料与铜基体之间结合力这三个问题是阻碍该复合材料发展和使用的关键，尽管目前已在实验室开发出了许多制造成型方法，如粉末冶金，铸造法，电化学沉积和原位生长等，但是能达到了130%标准铜电导率的方法都无法批量制造，只能在实验室里生产少量样品。
发明内容
针对生产效率低，工艺流程复杂等问题，本发明提供一种能够快速有效、简单可控制备高电导率铜基复合材料的制备方法，该方法制备的铜基复合材料，碳量子点分布均匀，碳层致密，且与铜基体结合牢固，相对于单一铜基复合材料的电导率和耐氧化性得到了较大的提升，可广泛应用于集成电路、锂电池负极、电磁屏蔽和热管理等领域。
本发明的技术方案如下：
一种高电导率铜基复合材料的制备方法，以铜箔为基体，运用电泳沉积的方法，将按照现有方法预先制备好的高电导率的碳量子点沉积到铜箔基体上，并根据电泳沉积产物进行后处理，最终得到一种高电导率的碳量子点-铜基复合材料。
所述铜箔的厚度为0.01~3.0mm，根据后续需要对形状进行裁剪。
所述电泳沉积可以在三电极体系或双电极体系中进行电沉积。
所述三电极体系中工作电极为铜箔，对电极为铂片电极或钛片电极，参比电极为饱和Ag/AgCl电极或饱和甘汞电极，电解液为浓度为1.0~10.0mg/mL的碳量子点水分散液，采用的电源为电化学工作站。
所述双电极体系中工作电极为铜箔，对电极为铂片电极或钛片电极，对电极的面积应大于工作电极，电解液是将碳量子点、单质碘和丙酮按照质量比1~3:5:40混合并分散均匀后得到的，采用的电源为稳压直流电源。
所述三电极体系沉积时采用恒电势极化，0.1~0.2V恒电势下极化300~600s。
所述双电极体系沉积时，将工作电极作为负极，对电极作为正极，沉积电压为5~20V，沉积时间为10~30s。
所述三电极体系得到的电泳沉积产物的后处理工艺为：在还原气氛下，250~350℃还原0.5~2.0小时，所述还原气氛为氢气或一氧化碳，或者氢气或一氧化碳与氮气、氩气、氦气其中一种或任意比例混合几种的混合气。
所述双电极体系得到的电泳沉积产物的后处理工艺为：在真空条件下（真空度小于1Pa），250~350℃退火0.5~2.0小时。
本发明的优点在于：
（1）本发明方法简单，操作灵活，显微组织可控，有较高的产业化前景。
（2）本发明环境友好、无毒无害，相对于传统的镀膜工艺更绿色环保。
（3）本发明制备的铜基复合材料，碳层致密，碳量子点分布均匀且与铜基体接触紧密，相对于单一铜基体的电导率和耐氧化性得到了较大的提升。
附图说明
图1为实施例1制备的碳量子点复合铜基复合材料的SEM图；
图2为铜箔、实施例1~3和对比例1制备的铜基复合材料电导率的对比图。
具体实施方式
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明进行详细描述，但不能理解为对本发明保护范围的限定，实施例中使用的碳量子点为现有常规方法制备得到或者市购得到，其他原料为市场购买得到。
实施例1
一种高电导率铜基复合材料的制备方法，具体步骤如下：
（1）将厚度为0.01~3.0mm的铜箔分别置于浓度为1M的盐酸、丙酮、乙醇、去离子水中各超声清洗15min，然后置于氮气流中吹干待用；
（2）将200mg碳量子点超声分散于100mL去离子水中，作为电解液；
（3）将步骤（1）得到的铜箔、饱和Ag/AgCl电极和铂片分别作为工作电极、参比电极和对电极，加入步骤（2）制备的电解液中，采用的电源为电化学工作站，恒电势极化，在0.1V恒电势下极化沉积300s；
（4）将步骤（3）沉积后的铜箔置于气氛还原炉内，氢气气氛下，250℃还原2h，得到高电导率碳量子点复合铜基复合材料。
图1为本实施例制备的碳量子点复合铜基复合材料的SEM图，从图中可知，表现出致密的碳层结构。
实施例2
一种高电导率铜基复合材料的制备方法，具体步骤如下：
（1）将厚度为0.01~3.0mm的铜箔分别置于浓度为1M的盐酸、丙酮、乙醇、去离子水中各超声清洗15min，然后置于氮气流中吹干待用；
（2）将1000mg碳量子点超声分散于100mL去离子水中，作为电解液；
（3）将步骤（1）得到的铜箔、饱和甘汞电极和铂片分别作为工作电极、参比电极和对电极，加入步骤（2）制备的电解液中，采用的电源为电化学工作站，恒电势极化，在0.15V恒电势下极化沉积600s；
（4）将步骤（3）沉积后的铜箔置于气氛还原炉内，一氧化碳气氛下，300℃还原1h，得到高电导率碳量子点复合铜基复合材料。
实施例3
一种高电导率铜基复合材料的制备方法，具体步骤如下：
（1）将厚度为0.01~3.0mm的铜箔分别置于浓度为1M的盐酸、丙酮、乙醇、去离子水中各超声清洗15min，然后置于氮气流中吹干待用；
（2）将100mg碳量子点超声分散于100mL去离子水中，作为电解液；
（3）将步骤（1）得到的铜箔、饱和Ag/AgCl电极和钛片分别作为工作电极、参比电极和对电极，加入步骤（2）制备的电解液中，采用的电源为电化学工作站，恒电势极化，在0.2V恒电势下极化沉积500s；
（4）将步骤（3）沉积后的铜箔置于气氛还原炉内，氢气和氮气体积比1:1混合的混合气氛下，350℃还原0.5h，得到高电导率碳量子点复合铜基复合材料。
实施例4
一种高电导率铜基复合材料的制备方法，具体步骤如下：
（1）将厚度为0.01~3.0mm的铜箔分别置于浓度为1M的盐酸、丙酮、乙醇、去离子水中各超声清洗15min，然后置于氮气流中吹干待用；
（2）将碳量子点、单质碘和丙酮按照质量比1:5:40混合并分散均匀后即得到电解液；
（3）将步骤（1）得到的铜箔和铂片分别作为负极和正极，工作电极为铜箔，对电极为铂片电极，对电极的面积应大于工作电极，加入步骤（2）制备的电解液中，电源为稳压直流电源，在5V恒电势下沉积30s；
（4）将步骤（3）沉积后的铜箔置于真空度小于1Pa的真空炉内，250℃退火2h，得到高电导率碳量子点复合铜基复合材料。
实施例5
一种高电导率铜基复合材料的制备方法，具体步骤如下：
（1）将厚度为0.01~3.0mm的铜箔分别置于浓度为1M的盐酸、丙酮、乙醇、去离子水中各超声清洗15min，然后置于氮气流中吹干待用；
（2）将碳量子点、单质碘和丙酮按照质量比3:5:40混合并分散均匀后即得到电解液；
（3）将步骤（1）得到的铜箔和钛片分别作为负极和正极，工作电极为铜箔，对电极为钛片电极，对电极的面积应大于工作电极，加入步骤（2）制备的电解液中，电源为稳压直流电源，在20V恒电势下沉积10s；
（4）将步骤（3）沉积后的铜箔置于真空度小于1Pa的真空炉内，300℃退火1h，得到高电导率碳量子点复合铜基复合材料。
实施例6
一种高电导率铜基复合材料的制备方法，具体步骤如下：
（1）将厚度为0.01~3.0mm的铜箔分别置于浓度为1M的盐酸、丙酮、乙醇、去离子水中各超声清洗15min，然后置于氮气流中吹干待用；
（2）将碳量子点、单质碘和丙酮按照质量比2:5:40混合并分散均匀后即得到电解液；
（3）将步骤（1）得到的铜箔和铂片分别作为负极和正极，工作电极为铜箔，对电极为铂片电极，对电极的面积应大于工作电极，加入步骤（2）制备的电解液中，电源为稳压直流电源，在10V恒电势下沉积20s；
（4）将步骤（3）沉积后的铜箔置于真空度小于1Pa的真空炉内，350℃退火0.5h，得到高电导率碳量子点复合铜基复合材料。
对比例1
一种铜基复合材料的制备方法，具体步骤如下：
（1）将厚度为0.01~3.0mm的铜箔分别置于浓度为1M的盐酸、丙酮、乙醇、去离子水中各超声清洗15min，然后置于氮气流中吹干待用；
（2）配置100mL浓度为2mg/mL的石墨烯分散液；
（3）将步骤（1）的铜箔和步骤（2）石墨烯分散液转移到200mL聚四氟乙烯内衬的反应釜中，150℃水热5h；
（4）将沉积后的铜箔置于气氛还原炉内，氢气气氛下，250℃还原2h，得到铜基复合材料。
图2 为实施例1~3、铜箔基体、对比例1电导率的直观比较，通过对比可以发现，实施例1~3采用电泳沉积结合热处理工艺制备的复合材料的电导率相对于铜箔基体均有提升，其中实施例3的电导率提升了24%，最为明显；且优于常规方法的对比例1，进一步说明了本发明制备的铜基复合材料，碳层致密，碳量子点分布均匀且与铜基复合材料基体接触紧密，进而拥有较高的电导率。

Claims (7)

1.一种高电导率铜基复合材料的制备方法，其特征在于，以铜箔为基体，将碳量子点电泳沉积到铜箔基体上，进行后处理，得到高电导率铜基复合材料；
电泳沉积在三电极体系或双电极体系中进行；
所述三电极体系中，电解液为浓度为1.0 ~10.0mg/mL的碳量子点水分散液；三电极体系得到的电泳沉积产物的后处理工艺为：在还原气氛下，250~350℃还原0.5~2.0小时；
所述双电极体系中电解液是将碳量子点、单质碘和丙酮按照质量比1~3:5:40混合并分散均匀后得到；双电极体系得到的电泳沉积产物的后处理工艺为：在真空条件下，250~350℃退火0.5~2.0小时。
2.根据权利要求1所述高电导率铜基复合材料的制备方法，其特征在于，铜箔的厚度为0.01~3.0mm。
3.根据权利要求1所述高电导率铜基复合材料的制备方法，其特征在于，三电极体系中工作电极为铜箔，对电极为铂片电极或钛片电极，参比电极为饱和Ag/AgCl电极或饱和甘汞电极，电源为电化学工作站。
4.根据权利要求1所述高电导率铜基复合材料的制备方法，其特征在于，双电极体系中工作电极为铜箔，对电极为铂片电极或钛片电极，对电极的面积应大于工作电极，电源为稳压直流电源。
5.根据权利要求1所述高电导率铜基复合材料的制备方法，其特征在于，三电极体系沉积时，在0.1~0.2V恒电势下极化300~600s。
6.根据权利要求1所述高电导率铜基复合材料的制备方法，其特征在于，双电极体系沉积时，将铜箔作为负极，对电极作为正极，沉积电压为5~20V，沉积时间为10~30s。
7.根据权利要求1所述高电导率铜基复合材料的制备方法，其特征在于，还原气氛为氢气或一氧化碳，或者氢气或一氧化碳与氮气、氩气、氦气中一种或几种任意比例混合的混合气。
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