一种具有层级结构的CNT-GO/Cu复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开一种具有层级结构的CNT‑GO/Cu复合材料的制备方法，属于金属基复合材料制备领域。本发明专利技术以CNTs、GO、氢氧化钠和醋酸铜为原料，采用分子级共混法制备具有层级结构的CNT‑GO/Cu复合材料。本发明专利技术所述方法具有工艺简单、时间短、能耗低等优点；并且，由于GO大的比表面积及CNTs高的长径比，将二者混合后可以获得具有网状结构的混合增强体，提高单一增强体的分散均匀性；此外，通过持续调整溶液的pH值，可制得具有层级结构的CNT‑GO/Cu复合材料，该复合材料由碳纳米增强体的富集区（富碳区）和贫化区（贫碳区）组成，富碳区能有效提高复合材料的强度，贫碳区能有效改善复合材料的韧性，使其获得良好的综合性能。

【技术实现步骤摘要】
一种具有层级结构的CNT-GO/Cu复合材料的制备方法
本专利技术涉及一种具有层级结构的CNT-GO/Cu复合材料的制备方法，属于金属基复合材料制备

技术介绍
由于具有高强度、良好的耐腐蚀性能、优异的导电和导热性能，铜基复合材料成为最具有发展前景的金属基复合材料之一，在电子元器件材料、集成电路散热板、推进器、触头材料等领域应用广泛。氧化石墨烯（Grapheneoxide，GO）是由碳原子以sp2杂化轨道组成的一种二维碳纳米材料，在最近几十年引起了广泛的关注。其导热系数为5300W/m·K，电子迁移率为15000cm2V-1S-1，杨氏模量为1TPa。但在较强的层间范德华力的作用下，GO容易堆积，使其表面积大大降低，影响其作为复合材料增强体的性能发挥。获得增强体的均匀分布一直是复合材料领域亟需解决的关键问题，增强体的均匀分布能有效提高复合材料的综合力学性能；一般认为，相对于增强体的均匀分布而言，增强体的团聚对力学性能是有害的，因此，研究人员一直试图消除这种不均匀性，而没有从微观结构设计的角度来刻意制造增强体的团聚。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有层级结构的CNT-GO/Cu复合材料的制备方法，在复合材料中形成具有层级结构的CNT-GO混合增强体的富集区和贫化区，使其获得良好的综合性能，包括以下步骤：（1）将CNTs进行酸化处理，然后经过滤、干燥后得到酸化的CNTs粉末；（2）将碳纳米管（Carbonnanotube，CNTs）和氧化石墨烯加入到去离子水中，搅拌使其混合均匀，再进行超声处理得到CNT-GO溶液，其中，CNTs与GO的体积比为3:1~6:1；（3）在CNT-GO溶液中加入醋酸铜，搅拌使其混合均匀，在相同转速下，逐滴加入氢氧化钠溶液至溶液的pH值为10~14，经过滤、干燥后得到CNT-GO/CuO粉；（4）将步骤（3）中制备得到的CNT-GO/CuO粉进行还原，得到CNT-GO/Cu复合粉体，将CNT-GO/Cu复合粉体进行放电等离子烧结，最后得到块体的CNT-GO/Cu复合材料。优选的，本专利技术步骤（1）中酸化处理的条件为：将CNTs加入浓硫酸/浓硝酸的混合溶液中并在50~90℃的水浴锅中加热2~6h，其中浓硫酸与浓硝酸体积比为3:1~4:1。优选的，本专利技术步骤（2）和（3）中搅拌过程为：用高剪切乳化机搅拌，其转速为3000~6000rpm/min，搅拌时间为10~30min。优选的，本专利技术所述超声处理时间为0.5~1.5h。优选的，本专利技术步骤（4）中还原条件为：还原温度为250~450℃，还原时间为4~8h，同时通入惰性气体和还原气体的混合气体，还原气体的体积分数为5%。优选的，本专利技术所述CNT-GO/Cu复合材料中CNT-GO混合增强体的体积占比为0.5~2.5%。优选的，本专利技术步骤（4）中放电等离子烧结的条件为：烧结温度为600~800℃，其烧结时间为5~15min，其加热速率为100~150℃/min。本专利技术的原理：本专利技术通过结构设计，能使复合材料中增强体的分布在局部区域富集，而在其余区域贫乏，富集区提高复合材料的强度，贫化区提高复合材料的韧性。增强体的连续性由于团簇或偏聚而提高，通过调整工艺参数、空间分布等可以有效控制增强的分布不均匀性，实现对材料的断裂韧性、延展性和强度的明显改善；此外，均匀分布的富集区存在的数量较少，对载流子的流通阻碍较少，而较软的增强体贫化区会形成一个电流流动的快速通道，为载流子的传输创造有利条件。本专利技术具有以下优点：（1）本专利技术使用高剪切乳化机为搅拌器，在该状态下，CNTs和GO处于很好的分布状态，这有利于最大程度上发挥其协同强化作用。（2）GO大的比表面积及CNTs高的长径比，可以形成均匀的网络状结构，提高单一增强体的分散性。（3）本专利技术通过分子级共混法制备的CNT-GO/Cu块体复合材料，其由富碳区（硬相）和贫碳区（软相）组成，这种层级结构能极大地提高复合材料的抗拉强度和断裂韧性，同时使复合材料保持良好的导电性。（4）该方法工艺过程简便，设备简单，操作时间短，易于实现，且可以推广应用到其它金属基和高分子基复合材料的制备。附图说明图1是本专利技术所述方法及复合材料制备的工艺流程图；图2是实施例1制备的CNT-GO混合增强体的微观形貌图；图3是实施例1制备得到的CNT-GO/Cu复合粉末表面及断口的微观形貌图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明，但本专利技术的保护范围并不限于所述内容。对比实施例1（1）氧化铜粉末的制备：向900ml去离子水中加入17.37g的醋酸铜，并用高剪切乳化机搅拌10min；随后，在相同转速下，逐滴加入氢氧化钠溶液，直至pH达到14，经过滤、干燥后得到氧化铜粉末。（2）纯铜粉的制备：在通入氩氢气（H2的体积分数为5%）的管式炉中，将制备好的氧化铜粉进行还原（温度为350℃、时间为8h），得到纯铜粉。（3）块体纯铜材料的制备：将铜粉进行放电等离子烧结（烧结温度为700℃、烧结时间为10min、加热速率为100℃/min、模具直径为20mm），最后得到块体铜；其抗拉强度达到294MPa；其硬度为91.65HV；其电导率为96.86%IACS。对比实施例2（1）复合前驱体的制备：将0.036g的GO加入900ml去离子水中，并用高剪切乳化机（转速6000rpm/min）搅拌20min，再超声处理1.5h；再向GO溶液中加入17.37g的醋酸铜（在GO/Cu复合材料中，GO所占的体积分数为2.5%），并用高剪切乳化机搅拌10min。随后，在相同转速下，逐滴加入氢氧化钠溶液，直至pH达到14；过滤、干燥后得到GO/CuO粉。（2）复合粉体的制备：在通入氩氢气（H2的体积分数为5%）的管式炉中，将制备好的复合前驱体进行还原（温度为350℃、时间为8h），得到GO/Cu复合粉体。（3）块体复合材料的制备：将GO/Cu复合粉体进行放电等离子烧结（烧结温度为700℃、烧结时间为10min、加热速率为100℃/min、模具直径为20mm），最后得到块体的GO/Cu复合材料。其抗拉强度达到450MPa；其硬度为104.91HV；其电导率为85.22%IACS。实施例1（1）CNTs的酸化处理：将CNTs加入浓硫酸/浓硝酸（体积比为3:1）的混合溶液并在70℃的水浴锅中加热4h，经过滤、干燥后得到酸化的CNTs粉末。（2）复合前驱体的制备：将0.032g的CNT-GO（体积比为6:1，0.027g的CNTs，0.005g的GO）加入900ml去离子水中，并用高剪切乳化机（转速6000rpm/min）搅拌20min，再超声处理1.5h；再向CNT-GO溶液中加入17.37g的醋酸铜（在CNT-GO/Cu复合材料中，CNT-GO混合增强体所占的体积分数为2.5%），并用高剪切乳化机搅拌10min；随后，在相同转速下，逐滴加入氢氧化钠溶液，直至pH达到14；经过滤、干燥后得到CNT-GO/CuO粉。（3）复合粉体的制备：在通入氩氢气（H2的体积分数为5%）的管式炉中，将步骤（2）中制备好的复合前驱体进行还原（温度为350℃、时间为8h），得到CNT-GO/Cu复合粉体。（4）块体复合材料的制备：将CNT-GO/Cu复合粉本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有层级结构的CNT‑GO/Cu复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将CNTs进行酸化处理，然后经过滤、干燥后得到酸化的CNTs粉末；（2）将CNTs和GO加入到去离子水中，搅拌使其混合均匀，再进行超声处理得到CNT‑GO溶液，其中，CNTs与GO的体积比为3:1~6:1；（3）在CNT‑GO溶液中加入醋酸铜，搅拌使其混合均匀，在相同转速下，逐滴加入氢氧化钠溶液至溶液的pH值为10~14，经过滤、干燥后得到CNT‑GO/CuO粉；（4）将步骤（3）中制备得到的CNT‑GO/CuO粉进行还原，得到CNT‑GO/Cu复合粉体，将CNT‑GO/Cu复合粉体进行放电等离子烧结，最后得到块体的CNT‑GO/Cu复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种具有层级结构的CNT-GO/Cu复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将CNTs进行酸化处理，然后经过滤、干燥后得到酸化的CNTs粉末；（2）将CNTs和GO加入到去离子水中，搅拌使其混合均匀，再进行超声处理得到CNT-GO溶液，其中，CNTs与GO的体积比为3:1~6:1；（3）在CNT-GO溶液中加入醋酸铜，搅拌使其混合均匀，在相同转速下，逐滴加入氢氧化钠溶液至溶液的pH值为10~14，经过滤、干燥后得到CNT-GO/CuO粉；（4）将步骤（3）中制备得到的CNT-GO/CuO粉进行还原，得到CNT-GO/Cu复合粉体，将CNT-GO/Cu复合粉体进行放电等离子烧结，最后得到块体的CNT-GO/Cu复合材料。2.根据权利要求1所述具有层级结构的CNT-GO/Cu复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中酸化处理的条件为：将CNTs加入浓硫酸/浓硝酸的混合溶液中并在50~90℃的水浴锅中加热2~6h，其中浓硫酸与浓硝酸体积比为3:1~4:1。3.根据权利要求1所述具...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶静梅，魏霞，易健宏，鲍瑞，刘意春，李凤仙，李才巨，游昕，谈松林，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53