CN113444916A - 一种碳纳米管增强铜基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种碳纳米管增强铜基复合材料及其制备方法，步骤为：1)将碳纳米管进行酸化处理获得表面功能化碳纳米管；2)将表面功能化碳纳米管与铜盐酒精溶液混合超声处理，使铜离子附着于碳纳米管表面；酒精蒸发后得到铜离子‑碳纳米管复合粉体；3)将铜离子‑碳纳米管复合粉体在100～300℃加热0.5～4h，使附着在碳纳米管表面的铜离子氧化成氧化铜，获得氧化铜‑碳纳米管粉体；4)将氧化铜‑碳纳米管粉体在800～1200℃处理30min～4h，利用碳纳米管的还原性将氧化铜还原成铜单质，获得铜‑碳纳米管粉末；5)将铜‑碳纳米管作为增强体，采用粉末冶金法或铸造法制备碳纳米管增强铜基复合材料。本发明方法简单，成本低，无需使用氢气，能够减少设备的投入和降低生产中的风险。

Description

一种碳纳米管增强铜基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料制备技术领域，涉及一种碳纳米管增强铜基复合材料及其制备方法。
背景技术
铜合金由于具有优异的导电、导热性能，因此被广泛应用于航空航天、电子、汽车等领域。现代工业的快速发展对铜合金的性能提出了越来越高的要求，比如更高的抗拉强度、导热率和延展性等。单一材料以及传统的制备工艺制备的铜合金其综合性能无法满足现代工业的发展。复合材料是有效提升铜合金性能的方法之一。碳纳米管具有优异的力学、电学、热学和磁学等性能是铜基复合材料理想的增强体。
然而由于碳纳米管具有巨大的长径比，在铜基体中易产生团聚。此外，铜合金不润湿碳纳米管表面，二者界面结合性能差。上述问题限制了碳纳米管在铜基复合材料中的应用。
分子级混合法制备碳纳米管增强铜基复合材料取得了一定的研究进展，可以提高碳纳米管的分散性以及提高界面结合强度。但制备过程中需使用氢气将氧化铜还原成铜以达到分子级混合的目的，该方法危险性高。
碳纳米管本身具有还原性，利用此特点，在高温下对氧化铜进行还原，可以达到分子级混合的目的。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法。
本发明通过以下技术方案实现：
一种碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将碳纳米管进行酸化处理，获得表面功能化碳纳米管；
(2)将表面功能化碳纳米管与铜盐酒精溶液混合，进行超声混合处理，使铜离子附着于碳纳米管表面；
(3)使用真空干燥箱将酒精蒸发，获得铜离子-碳纳米管复合粉体；
(4)将铜离子-碳纳米管复合粉体在大气环境下加热至100～300℃，时间0.5～4h，使附着在碳纳米管表面的铜离子氧化成氧化铜，获得氧化铜-碳纳米管粉体；
(5)将氧化铜-碳纳米管粉体放入真空加热炉中，加热至800～1200℃，保温30min～4h，利用碳纳米管的还原性将氧化铜还原成铜单质，获得铜-碳纳米管粉末；
(6)将铜-碳纳米管作为增强体，采用粉末冶金法或铸造法制备碳纳米管增强铜基复合材料，其中，铜基复合材料中碳纳米管含量0.1～10.0wt％。
进一步的，步骤(1)中所述酸化处理为：将浓硫酸和浓硝酸按照体积比3:1比例进行混合后，加入碳纳米管，在室温下搅拌10h，用去离子水清洗过滤后烘干，研磨成粉，获得表面功能化碳纳米管。
进一步的，步骤(2)中所述超声混合处理，超声处理功率为100～500W，处理时间10～300min；
进一步的，步骤(3)中所述真空干燥箱温度为80℃。
一种碳纳米管增强铜基复合材料，由所述制备方法制备得到。
本发明的有益效果为：本发明工艺流程简单，可操作性强；利用碳纳米管的还原性将氧化铜还原成铜单质，无需使用氢气，减少了设备的投入和降低了生产中的风险。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
将浓硫酸和浓硝酸按照体积比3:1比例进行混合，加入碳纳米管，室温下搅拌10h，用去离子水清洗过滤后烘干，研磨成粉，获得表面功能化碳纳米管。
将表面功能化碳纳米管与铜盐酒精溶液混合，进行超声混合处理，超声功率100W，处理时间60min，使铜离子附着于碳纳米管表面。
使用真空干燥箱将酒精蒸发，真空干燥箱温度为80℃，获得铜离子-碳纳米管复合粉体。
将铜离子-碳纳米管复合粉体在大气环境下加热至280℃，时间2h，使附着在碳纳米管表面的铜离子氧化成氧化铜，获得氧化铜-碳纳米管粉体。
将氧化铜-碳纳米管粉体放入真空加热炉中，加热至1000℃，保温2h，利用碳纳米管的还原性将氧化铜还原成铜单质，获得铜-碳纳米管粉末。
将铜-碳纳米管作为增强体，碳纳米管含量为8wt％，先使用球磨机将铜-碳纳米管于铜粉进行混合，采用粉末冶金法制备碳纳米管增强铜基复合材料，压力20MPa，烧结温度800℃，保温时间6h。
实施例2
将浓硫酸和浓硝酸按照体积比3:1比例进行混合，加入碳纳米管，室温下搅拌10h，用去离子水清洗过滤后烘干，研磨成粉，获得表面功能化碳纳米管。
将表面功能化碳纳米管与铜盐酒精溶液混合，进行超声混合处理，超声功率500W，处理时间10min，使铜离子附着于碳纳米管表面。
使用真空干燥箱将酒精蒸发，真空干燥箱温度为80℃，获得铜离子-碳纳米管复合粉体。
将铜离子-碳纳米管复合粉体在大气环境下加热至180℃，时间4h，使附着在碳纳米管表面的铜离子氧化成氧化铜，获得氧化铜-碳纳米管粉体。
将氧化铜-碳纳米管粉体放入真空加热炉中，加热至800℃，保温4h，利用碳纳米管的还原性将氧化铜还原成铜单质，获得铜-碳纳米管粉末。
将铜-碳纳米管作为增强体，碳纳米管含量为5wt％，先使用球磨机将铜-碳纳米管于铜粉进行混合，采用粉末冶金法制备碳纳米管增强铜基复合材料，压力30MPa，烧结温度900℃，保温时间4h。
实施例3
将浓硫酸和浓硝酸按照体积比3:1比例进行混合，加入碳纳米管，室温下搅拌10h，用去离子水清洗过滤后烘干，研磨成粉，获得表面功能化碳纳米管。
将表面功能化碳纳米管与铜盐酒精溶液混合，进行超声混合处理，超声功率100W，处理时间300min，使铜离子附着于碳纳米管表面。
使用真空干燥箱将酒精蒸发，真空干燥箱温度为80℃，获得铜离子-碳纳米管复合粉体。
将铜离子-碳纳米管复合粉体在大气环境下加热至100℃，时间4h，使附着在碳纳米管表面的铜离子氧化成氧化铜，获得氧化铜-碳纳米管粉体。
将氧化铜-碳纳米管粉体放入真空加热炉中，加热至1200℃，保温30min，利用碳纳米管的还原性将氧化铜还原成铜单质，获得铜-碳纳米管粉末。
将铜-碳纳米管作为增强体，采用铸造法制备碳纳米管增强铜基复合材料，熔炼温度为1200℃，碳纳米管含量为0.1wt％。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将碳纳米管进行酸化处理，获得表面功能化碳纳米管；
(2)将表面功能化碳纳米管与铜盐酒精溶液混合，进行超声混合处理，使铜离子附着于碳纳米管表面；
(3)采用真空干燥箱将酒精蒸发，获得铜离子-碳纳米管复合粉体；
(4)将铜离子-碳纳米管复合粉体在大气环境下加热至100～300℃，时间0.5～4h，使附着在碳纳米管表面的铜离子氧化成氧化铜，获得氧化铜-碳纳米管粉体；
(5)将氧化铜-碳纳米管粉体放入真空加热炉中，加热至800～1200℃，保温30min～4h，利用碳纳米管的还原性将氧化铜还原成铜单质，获得铜-碳纳米管粉末；
(6)将铜-碳纳米管作为增强体，采用粉末冶金法或铸造法制备碳纳米管增强铜基复合材料，其中，铜基复合材料中碳纳米管含量0.1～10.0wt％。
2.根据权利要求1所述的一种碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述酸化处理为：将浓硫酸和浓硝酸按照体积比3:1比例进行混合后，加入碳纳米管，在室温下搅拌10h，用去离子水清洗过滤后烘干，研磨成粉，获得表面功能化碳纳米管。
3.根据权利要求1或2所述的一种碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述超声混合处理，超声处理功率为100～500W，处理时间10～300min。
4.根据权利要求1或2所述的一种碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述真空干燥箱温度为80℃。
5.根据权利要求3所述的一种碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述真空干燥箱温度为80℃。
6.一种碳纳米管增强铜基复合材料，由权利要求1-5任一所述制备方法制备得到。
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