一种高强高导碳纳米管增强铜基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高强高导碳纳米管增强铜基复合材料及其制备方法，属于复合材料及其制备的技术领域。其制法为：体积分数为0.1%～10%的镀镍/铜单壁碳纳米管与体积分数为90%～99.9%的纯铜粉或铜合金粉在无水乙醇中水浴超声搅拌、真空干燥后冷压成坯、保烧结、高温锻造、反复镦压、机加工、冷挤压，即得高强高导碳纳米管增强铜基复合材料。其优点为：本发明专利技术制备的复合材料中单壁碳纳米管在金属基体中分散均匀，且沿轴向取向排列。复合材料在碳纳米管取向方向上具有优良的宏观综合性能，包括力学性能、导热性、导电性，可广泛应用于电阻点焊电极、电弓滑板、集成电路引线框架、继电器支座等制备领域，尤其适用于点焊电极头的制备。

【技术实现步骤摘要】
一种高强高导碳纳米管增强铜基复合材料及其制备方法
本专利技术属于复合材料及其制备的
，具体涉及一种兼备优良的力学性能和传导性能的单壁碳纳米管增强铜基复合材料及其制备方法。
技术介绍
在电力、电工电子、微波、航空航天、汽车等领域，很多零件如受电弓滑板、集成电路引线框架、继电器支座、微波管栅网、电阻点焊电极等要求所用材料的强度和硬度高，抗高温软化性能强，同时还要兼具高的电导率和热导率。这类高强高导材料的硬度一般在160～180HV以上，相对电导率在80％IACS以上。虽然纯铜及铜合金的导热性、导电性良好，但室温及高温强度和硬度较低，耐磨性比较差，软化温度也低。当铜合金长时间处于1/3-1/2熔点温度下时，其强度、导电性和导热性通常会急剧恶化。如何在电导率和热导率不损失或损失不多的原则下，使纯铜或铜合金的力学性能及抗高温软化能力提高，是目前铜合金材料领域的研究热点和产业化的方向。因此，亟需开发一种兼备优良的力学性能和传导性能的新型铜基复合材料。单壁碳纳米管具有近乎完美的键合结构，理论和实验都证明了它在多方面的优异性能。根据石墨的导热系数估算出的碳纳米管轴向导热系数可高达3000～6600W/mK，是纯铜材料导热系数的十倍；单壁碳纳米管具有优良的导电性，如在n＝m(n,m表示碳纳米管上原子排列方向的两个基矢量)的方向，其电导率可达铜的1万倍；同时，碳纳米管还具有极高的长径比(≥1:103)，可通过加工手段控制其在基体中的分布与定向排列，使其有选择性地在特定方向上具有优异的力学性能、导热性、导电性等。此外，碳纳米管热稳定性好，在空气中温度973K以下基本无变化，在高温下力学性能、电学性能优异；单壁碳纳米管的杨氏模量理论可高5TPa，抗拉强度高达13～53GPa；碳纳米管复合材料还具有优异的耐磨性能，以及低的热膨胀系数(约为铜的一半)。这些都使碳纳米管成为理想的、可同时明显改善基体力学性能、导热性及导电性，减少摩擦系数及热膨胀系数的增强材料。近年来，关于碳纳米管增强复合材料的报道激增，但多集中于聚合物基复合材料，而在铜基复合材料中的研究和实际应用，大多致力于提高力学性能。兼顾优良的力学性能和传导性能，制备综合性能优异的碳纳米管增强铜基复合材料的成功例子极少。中国专利技术专利“气相沉积原位反应制备碳纳米管增强铜基复合材料的方法”(CN200610014783.4)公开了一种高强高导碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法。该方法在反应炉中进行Ni/Y/Cu催化剂前驱体的催化裂解反应，在铜粉基体上原位生长碳纳米管，将得到的碳纳米管/Cu复合粉末进行初压、烧结和复压，得到碳纳米管均匀分散的铜基复合材料。但该专利采用粉末冶金的方法，无法获得满密度复合材料，大量存在的小孔隙使复合材料的连续性中断，影响其载荷、电、热的传导。中国专利技术专利“以镀铜碳纳米管增强受电弓滑板材料及其制备方法”(CN201110004880.6)公开了一种镀铜碳纳米管增强受电弓滑板材料的制备方法。该方法将Cu、CNTs、Ti3SiC2和TiB2四种原料混匀后，冷压、烧结、复压和二次烧结，极大改善了受电弓滑板材料的性能，该专利同样采用的是粉末冶金方法，仍然无法获得满密度复合材料，影响其载荷、电、热的传导。中国专利技术专利“碳纳米管-金属复合增强铜基复合材料及其制备方法”(CN201410204775.0)公开了一种碳纳米管在0.1～2wt％的碳纳米管-金属复合增强铜基复合材料的制备方法。将含可溶性金属盐和铜盐、碳纳米管的溶胶喷雾造粒得到纳米粉末，煅烧、还原、等静压成型和烧结，虽然得到了综合性能优异的铜基复合材料，但该专利同样采用的是粉末冶金方法，仍然无法获得满密度复合材料，影响其载荷、电、热的传导。德国的SheikhMU等采用粉末冶金后热压烧结方法制备了碳纳米管增强青铜基复合材料，其硬度比基体提高47％，导电性提高20％(SheikhMU,TanvirM,ChristophW,etal.Effectofsizeandshapeofmetalparticlestoimprovehardnessandelectricalpropertiesofcarbonnanotubereinforcedcopperandcopperalloycomposites[J].CompositesScienceandTechnology,2010,70:2253-2257.)。但是其存在粉末冶金方法的不足，影响其载荷、电、热的传导。中国专利技术专利“一种碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法”(CN201210095598.8)公开了一种碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法。该法将质量分数0.5％～10％的碳纳米管和85％～99.4％的纯铜粉及0.1～5％的助剂混合，球磨、还原退火、冷压和烧结，得到高强、高硬的碳纳米管增强铜基复合材料。但其所用高能球磨会损伤和打断碳纳米管，大大削弱了碳纳米管对复合材料导热导电性能的增强作用。中国专利技术专利“一种微波烧结制备碳纳米管增强铜基复合材料的方法”(CN201410838790.0)将碳纳米管与纯铜粉球磨、压制成形、在微波中烧结后，挤压或轧制得到高密度、高强度的碳纳米管/铜基复合材料。但球磨会损伤和打断碳纳米管，从而会降低碳纳米管对复合材料的传导性能的改善效果。湖南大学的陈小华采用溶液法、共沉淀法、复合球法、泡沫体法分散碳纳米管，并利用冷压、真空热压、热轧及熔渗等成形工艺制备出碳纳米管/铜块体纳米复合材料，硬度是铜基体的两倍，热膨胀系数仅为其六分之一左右，热导率维持在100W/mK以上(ChenXH,LiWH,ChenCS,etal.PreparationandpropertiesofCumatrixcompositereinforcedbycarbonnanotubes[J].TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina,2005,15(2):314-318.)。从国内外发表的文献来看，目前各种技术制备的碳纳米管增强铜基复合材料综合性能并不理想。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有碳纳米管增强铜基复合材料的宏观综合性能、尤其是力学性能、导热性、导电性不理想的关键技术问题，为了克服上述碳纳米管增强铜基复合材料制备工艺的不足之处，提供一种实用、有效、可控的单壁碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法，提高单壁碳纳米管在金属基体中的分散性和单壁碳纳米管与金属基体的界面结合，控制单壁碳纳米管在铜基体中的分布与排列，使其沿电流方向取向，进一步提高复合材料的导热、导电等性能。本专利技术的目的通过以下技术方案来实现：一种高强高导碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法，包括步骤如下：(1)将表面镀镍/铜的单壁碳纳米管分散到无水乙醇中，再加入纯铜粉或铜合金粉，水浴超声搅拌至无水乙醇全部蒸发，即得混合粉末；(2)对步骤(1)制备的混合粉末进行真空干燥；(3)将经步骤(2)干燥后的混合粉末放入冶金模具，在室温下冷压成坯；(4)对步骤(3)制备的压坯依次进行气氛烧结、锻造、反复镦压和机加工处理；(5)对经步骤(4)进行机加工处理后的坯料进行冷挤压，即得高强高导碳纳米管增强铜基复合材料。所述步骤(1)中表面镀镍/铜的单壁碳纳米管与纯铜粉或铜合金本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高强高导碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于包括步骤如下：（1）将表面镀镍/铜的单壁碳纳米管分散到无水乙醇中，再加入纯铜粉或铜合金粉，水浴超声搅拌至无水乙醇全部蒸发，即得混合粉末；（2）对步骤（1）制备的混合粉末进行真空干燥；（3）将经步骤（2）干燥后的混合粉末放入冶金模具，在室温下冷压成坯；（4）对步骤（3）制备的压坯依次进行气氛烧结、锻造、反复镦压和机加工处理；（5）对经步骤（4）进行机加工处理后的坯料进行冷挤压，即得高强高导碳纳米管增强铜基复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种高强高导碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于包括步骤如下：(1)将表面镀镍/铜的单壁碳纳米管分散到无水乙醇中，再加入纯铜粉或铜合金粉，水浴超声搅拌至无水乙醇全部蒸发，即得混合粉末；(2)对步骤(1)制备的混合粉末进行真空干燥；(3)将经步骤(2)干燥后的混合粉末放入冶金模具，在室温下冷压成坯；(4)对步骤(3)制备的压坯依次进行气氛烧结、锻造、反复镦压和机加工处理；(5)对经步骤(4)进行机加工处理后的坯料进行冷挤压，即得高强高导碳纳米管增强铜基复合材料；所述步骤(3)中冷压成坯的条件为：压制方式为双向压制、单向压制或冷等静压，压力30～200MPa，保压时间5～15分钟；压坯的高度与直径之比不大于1:3。2.根据权利要求1所述一种高强高导碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中表面镀镍/铜的单壁碳纳米管与纯铜粉或铜合金粉的体积百分比为0.1～10％：90～99.9％；单壁碳纳米管平均直径为2～6nm，平均长度为5～30um；铜粉的粒度为200目，铜合金粉为CrZrCu粉或锡青铜粉。3.根据权利要求1或2所述一种高强高导碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑重，董仕节，赵杉，肖岸纯，罗平，李四年，李连杰，黄子昕，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42