一种碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法技术

技术编号:15550156 阅读:340 留言:0更新日期:2017-06-07 15:14
本发明专利技术涉及一种碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法,属于复合材料制备领域。该方法主要是先制备碳纳米管/铜粉体,然后再向存放碳纳米管/铜粉体的乙醇中先后依次加入铜粉、聚乙二醇,搅拌混合均匀后,再冷却、抽滤、清洗、干燥,得到复合粉体;将复合粉体加入到硬质合金模具中进行放电等离子烧结,即可得到所述碳纳米管增强铜基复合材料。本发明专利技术制备过程中通过在碳纳米管上镀铜,改善了碳纳米管与铜粉之间的润湿性,提高界面结合强度,从而解决了碳纳米管在铜基体中的团聚问题;采用放电等离子烧结技术制备出了致密性优良、强度高、韧性好以及电导率高的碳纳米管增强铜基复合材料。

Method for preparing carbon nanotube reinforced copper based composite material

The invention relates to a preparation method of a carbon nanotube reinforced copper matrix composite material, belonging to the preparation field of composite materials. The first is the main method of preparation of carbon nanotubes / copper powder, and then to the storage of carbon nanotubes / copper powder in ethanol successively adding copper powder, polyethylene glycol, mixing evenly, and then cooling, filtering, washing, drying, composite powder; composite powder is added to the spark plasma sintering of hard alloy die you can get in, the carbon nanotube reinforced copper matrix composites. In the preparation process by copper plating on carbon nanotubes, improve the wettability between carbon nanotubes and copper powder, improve the bonding strength, so as to solve the problem of agglomeration of carbon nanotubes in the copper matrix; by spark plasma sintering technology to fabricate dense fine, high strength and good toughness and high electrical conductivity carbon nanotube reinforced copper matrix composites.

【技术实现步骤摘要】
一种碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法
本专利技术涉及一种碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法,具体涉及一种利用放电等离子烧结技术制备碳纳米管增强铜基复合材料的方法,属于复合材料制备领域。技术背景铜具有较高的电导率和热导率以及较低的热膨胀系数,因此是热电应用领域最重要的工程材料。然而,纯铜力学性能较差,极大的限制了铜在其他领域的应用。目前主要通过添加合金元素、氧化物颗粒或者第二相等途径改善铜基复合材料的力学性能。陶瓷增强体(包括陶瓷纤维和颗粒)增强的铜基复合材料具有高的比强度和比模量,但是其电导率和热导率都有明显的下降。与陶瓷相比,碳纳米管具有高导热性、低热膨胀系数和良好的自润滑性能,是理想的增强材料,而且碳纳米管对力学性能的增强有突出的效果,因此成为一个新的研究热点。现有技术中,在制备碳纳米管增强铜基复合材料过程中存在碳纳米管团聚分散不均匀的问题;另外,制备的碳纳米管增强铜基复合材料的力学性能以及电学性能有待进一步提高。放电等离子烧结技术结合了热压烧结、电阻加热和等离子体活化等特征,具有加热速度快、保温时间短以及烧结温度低等突出优点,能够达到冶金结合的效果。因此,放电等离子烧结技术为碳纳米管增强铜基复合材料提供了一种新的制备方法。
技术实现思路
针对现有技术中制备碳纳米管增强铜基复合材料存在的问题,本专利技术的目的在于提供一种碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法,所述方法使用放电等离子烧结技术制备出强度高,韧性佳的碳纳米管增强的铜基复合材料。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。一种碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法,所述制备方法步骤包括:步骤1.采用专利CN105458292A中的方法制备碳纳米管/铜粉体,将制备得到的碳纳米管/铜粉体存放在无水乙醇中;步骤2.先后依次向存放碳纳米管/铜粉体的乙醇中加入铜粉、聚乙二醇,混合均匀后,在50~60℃下超声并搅拌不少于120min,然后再冷却、抽滤、清洗,最后放入30~50℃真空干燥箱中干燥,得到复合粉体;步骤3.在硬质合金模具的内壁和压头上分别涂上一层脱模剂,然后在硬质合金模具内垫石墨纸,再将复合粉体加入到硬质合金模具中,最后将装有复合粉体的硬质合金模具放入放电等离子烧结设备中进行烧结;其中,烧结过程中参数的设置如下:真空度为1~5Pa,预加压力1~3MPa,烧结压力50MPa,烧结温度600~800℃,升温速度50~100℃/min,保温时间3~10min;烧结过程结束后,关闭电流,并卸载烧结压力,硬质合金模具随炉冷却至温度为50~150℃时,打开放电等离子烧结设备腔体,取出硬质合金模具,硬质合金模具中烧结后得到的固体为所述碳纳米管增强铜基复合材料;步骤2中,聚乙二醇的质量与得到的复合粉体的质量的比值不小于0.08;步骤2中得到的复合粉体中,碳纳米管的体积分数为0.1%~5%;所述脱模剂为氮化硼离型脱模剂。优选的,步骤1制备得到的碳纳米管/铜粉体中,碳纳米管上铜镀层的厚度为30~50nm。步骤2中所述的铜粉优选电解法制备得到的铜粉。优选的,步骤3中烧结温度为700℃,升温速度为50℃/min,保温时间为5min。优选的,取出硬质合金模具中的碳纳米管增强铜基复合材料块体并去除表面附着的石墨纸,然后用砂纸磨平,最后放入无水乙醇中超声,得到洁净的碳纳米管增强铜基复合材料。有益效果:本专利技术所述制备方法中,采用专利CN105458292A中的方法制备碳纳米管/铜粉体,通过在碳纳米管上镀铜,改善了碳纳米管与金属之间的润湿性,提高界面结合强度,从而解决了碳纳米管在铜基体中的团聚问题,本专利技术所制备的碳纳米管/铜粉体均匀分散在铜基体中;采用放电等离子烧结技术制备出了碳纳米管体积分数含量为0.1~5%的碳纳米管增强铜基复合材料,并通过调节控制烧结过程中的参数,制备出致密性优良、强度高、韧性好以及电导率高的碳纳米管增强铜基复合材料。附图说明图1为实施例中所用碳纳米管/铜粉体的扫描电子显微镜(SEM)图。图2是实施例5步骤2中制备得到的复合粉体的扫描电子显微镜图。图3为实施例5中制备的碳纳米管增强铜基复合材料的扫描电子显微镜(SEM)图。图4为700℃下烧结的不同碳纳米管含量的铜基复合材料的屈服强度和延伸率图。图5为700℃下烧结的不同碳纳米管含量的碳纳米管增强铜基复合材料的显微硬度图。图6为700℃下烧结的不同碳纳米管含量的铜基复合材料的电导率图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作详细的阐述。以下实施例中:所用碳纳米管:密度为1.8g/cm3,长度为10~20μm,直径为20~30nm的多壁碳纳米管,北京德科岛金科技有限公司;电解铜粉:纯度99.9wt.%,阿拉丁试剂(上海)有限公司;聚乙二醇:PEG-4000,北京化工厂;脱模剂为JD-3028,购买于东莞市佳丹润滑油有限公司;硬质合金模具:牌号为YG15,内表面直径25mm,外表面直径为45mm,购买自四川自贡硬质合金有限公司;放电等离子烧结设备为日本住友石炭矿业株式会社生产的,型号是DR.SINTERSPS-3.20;维氏硬度测试在美国力可公司生产的VMHT30M型硬度计上进行;室温准静态拉伸试样在美特斯工业系统(中国)有限公司生产的CMT5505万能试验机上进行;扫描电子显微镜:S-4800型,日本日立公司生产;电导率测试仪器:Sigmatest2.069,美国福斯特仪器公司生产。采用专利CN105458292A中的方法制备碳纳米管/铜粉体的步骤如下:步骤1.将1g碳纳米管放入200mL浓盐酸中超声并搅拌3h后,进行离心,用去离子水和乙醇对沉淀物进行清洗,放入40℃真空干燥箱中干燥,得到纯化的碳纳米管;步骤2.将1g纯化的碳纳米管放入200mL体积比为3:1的浓硫酸和浓硝酸的混合溶液中,在50℃下搅拌24h,冷却至室温后进行抽滤,用去离子水和乙醇洗涤抽滤得到的固体物质,放入40℃真空干燥箱中干燥,得到氧化的碳纳米管;步骤3.将4.55g氯化亚锡加入200mL稀盐酸溶液中,混合均匀,再加入1g氧化的碳纳米管,在60℃下超声并搅拌40min,冷却至室温后进行抽滤,用去离子水和乙醇洗涤抽滤得到的固体物质,放入40℃真空干燥箱中干燥,得到敏化的碳纳米管;步骤4.将0.05g氯化钯加入200mL稀盐酸溶液中,混合均匀,再加入1g敏化的碳纳米管,超声并搅拌40min,抽滤,用去离子水和乙醇洗涤抽滤得到的固体物质,放入40℃真空干燥箱中干燥,得到活化的碳纳米管;步骤5.将硫酸铜溶液和乙二胺四乙酸二钠溶液混合后,置于60℃水浴中搅拌,加氢氧化钠溶液调节pH,得到pH为12铜盐镀液;其中,在铜盐镀液中硫酸铜的浓度为24.97g/L,乙二胺四乙酸二钠的浓度为40g/L;步骤6.将0.1g活化的碳纳米管加入200mL铜盐镀液中,活化的碳纳米管分散均匀后,再加入4mL甲醛,并在加入甲醛后的5min内不断加入氢氧化钠溶液调节反应溶液的pH,使反应溶液的pH维持在12,反应溶液由蓝色变为无色且无气泡产生时,反应结束,反应溶液进行过滤,用去离子水和乙醇洗涤过滤得到的固体物质,放入40℃真空干燥箱中干燥,得到碳纳米管/铜粉体;其中,浓盐酸的质量分数为37%,北京化工厂;浓硫酸的质量分数为98%,北京化工厂;浓硝酸的质量分数为65%,北京化工本文档来自技高网...
一种碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法

【技术保护点】
一种碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法,其特征在于:所述制备方法步骤包括:步骤1.采用专利CN105458292A中的方法制备碳纳米管/铜粉体,将制备得到的碳纳米管/铜粉体存放在无水乙醇中;步骤2.先后依次向存放碳纳米管/铜粉体的乙醇中加入铜粉、聚乙二醇,混合均匀后,在50~60℃下超声并搅拌不少于120min,然后再冷却、抽滤、清洗,最后放入30~50℃真空干燥箱中干燥,得到复合粉体;步骤3.在硬质合金模具的内壁和压头上分别涂上一层脱模剂,然后在硬质合金模具内垫石墨纸,再将复合粉体加入到硬质合金模具中,最后将装有复合粉体的硬质合金模具放入放电等离子烧结设备中进行烧结;其中,烧结过程中参数的设置如下:真空度为1~5Pa,预加压力1~3MPa,烧结压力50MPa,烧结温度600~800℃,升温速度50~100℃/min,保温时间3~10min;烧结过程结束后,关闭电流,并卸载烧结压力,硬质合金模具随炉冷却至温度为50~150℃时,打开放电等离子烧结设备腔体,取出硬质合金模具,硬质合金模具中烧结后得到的固体为所述碳纳米管增强铜基复合材料;步骤2中,聚乙二醇的质量与得到的复合粉体的质量的比值不小于0.08;步骤2中得到的复合粉体中,碳纳米管的体积分数为0.1%~5%;所述脱模剂为氮化硼离型脱模剂。...

【技术特征摘要】
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:所述制备方法步骤包括:步骤1.采用专利CN105458292A中的方法制备碳纳米管/铜粉体,将制备得到的碳纳米管/铜粉体存放在无水乙醇中;步骤2.先后依次向存放碳纳米管/铜粉体的乙醇中加入铜粉、聚乙二醇,混合均匀后,在50~60℃下超声并搅拌不少于120min,然后再冷却、抽滤、清洗,最后放入30~50℃真空干燥箱中干燥,得到复合粉体;步骤3.在硬质合金模具的内壁和压头上分别涂上一层脱模剂,然后在硬质合金模具内垫石墨纸,再将复合粉体加入到硬质合金模具中,最后将装有复合粉体的硬质合金模具放入放电等离子烧结设备中进行烧结;其中,烧结过程中参数的设置如下:真空度为1~5Pa,预加压力1~3MPa,烧结压力50MPa,烧结温度600~800℃,升温速度50~100℃/min,保温时间3~10min;烧结过程结束后,关闭电流,并卸载烧结压力,硬质合金模具随炉冷却至温度为50~150℃时,打开放电等离子烧结设备腔体,取出硬...

【专利技术属性】
技术研发人员:张朝晖王虎胡正阳李昇霖刘颖王富耻
申请(专利权)人:北京理工大学
类型:发明
国别省市:北京,11

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