本发明专利技术公开一种多维碳材料复合增强铜基材料的制备方法，将碳前体与浓酸均匀混合，加热搅拌回流，产物用碱性物质中和后在超纯水中透析，旋转蒸发，冷冻干燥得到碳纳米管‑石墨烯‑石墨烯量子点的混合粉体，将铜粉与混合粉末进行球磨，还原后得到铜和碳纳米管‑石墨烯‑石墨烯量子点复合粉体，烧结得到复合材料；本发明专利技术方法操作简单，易于工业化制备，得到的复合增强体分布均匀，三种维度增强体相对比例可控，对基体材料可以起到多维度增强的显著效果。
【技术实现步骤摘要】
一种多维碳材料复合增强铜基材料的制备方法
本专利技术涉及一种制备多维碳材料复合增强铜基材料的方法，属于复合材料制备和粉末冶金领域。
技术介绍
石墨烯量子点是一种碳基零维材料。石墨烯量子点具有优秀的光学性质，良好的水溶性、低毒性、环境友好、原料来源广、成本低、生物相容性好等诸多优点。碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口)的一维纳米材料。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，直径一般为2～50nm，并且根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分成锯齿形、扶手椅形和螺旋形三种。碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。石墨烯是构成石墨的基本结构单元；而碳纳米管是由石墨烯卷曲而成的圆筒结构，石墨烯是碳纳米管裂解而成的平面结构。从结构上来看，碳纳米管是碳的一维晶体结构；而石墨烯仅由单碳原子层构成，是真正意义上的二维晶体结构。从性能上来看，石墨烯具有可与碳纳米管相媲美或更优异的特性，例如高电导率和热导率、高载流子迁移率、自由的电子移动空间、高强度和刚度等。作为零维(0D)、一维(1D)和二维(2D)纳米材料的代表者，石墨烯量子点、碳纳米管、石墨烯三者在结构和性能上具有互补性。以上碳纳米材料由于优异的力学、电学和热学特性被广泛用作金属、陶瓷和聚合物材料的增强体，不仅可以增加基体的力学性能，同时也可以提高基体在电学、热学、磁性和光学等功能性方面的性能，拓宽复合材料的应用范围和延长相关制品的使用周期。现有的研究大多是集中在碳纳米管和石墨烯在复合材料方面的增强效果，对于零维石墨烯量子点对复合材料增强效应研究的较少，但是从理论上看，三者在三个不同维度的结合可以有效增加复合材料在三维空间上各项性能的一致性，此外，三者的协同作用是不容忽视的，例如石墨烯量子点优异的分散性是其他两者不具备的，并且石墨烯量子点的制备成本相对于石墨烯和碳纳米管非常低，但是石墨烯量子点在纳米尺寸的力学强度是不如石墨烯和碳纳米管的，此外石墨烯在特定方向上的性能是不如碳纳米管的，碳纳米管通常具有方向性和难以分散的特点等等，综上所述，三者的结合不仅仅是简单的空间结构上的相互补充，更重要的是功能方面的优势互补。
技术实现思路
针对铜与各类增强体结合后，由于界面结合问题，很难实现铜基复合材料在强度增强的同时不损失延伸率和导电率的问题，本专利技术通过一锅法快速制备碳纳米管-石墨烯-石墨烯量子点多维复合增强粉体，用于多功能增强铜基材料，同时增加铜的强度、延伸率、导电率，旨在提高复合材料的综合性能。本专利技术方法包括碳纳米管-石墨烯-石墨烯量子点多维复合增强粉体的制备(酸裂解、碱中和、透析、旋蒸、冷冻干燥)、以及铜-碳纳米管-石墨烯-石墨烯量子点复合材料的制备(球磨、还原、烧结)。本专利技术的技术方案如下：一种多维碳材料复合增强铜基材料的制备方法，具体步骤如下：(1)酸裂解：将碳前体与浓酸均匀混合，将其加热搅拌回流；(2)碱中和：将步骤(1)得到的反应产物用碱性物质中和滴定至中性；(3)透析：将步骤(2)中和后的分散液在超纯水中透析4-6天；(4)干燥：将步骤(3)透析后的分散液旋转蒸发，冷冻干燥得到碳纳米管-石墨烯-石墨烯量子点粉末；(5)复合粉体制备：将铜粉与步骤(4)得到的粉末进行球磨，然后还原后得到碳纳米管-石墨烯-石墨烯量子点-铜复合粉体；(6)复合块体制备：将步骤(5)得到的复合粉末烧结得到复合材料。步骤(1)碳前体为碳纳米管，包括工业化碳纳米管、掺杂碳纳米管、石墨化碳纳米管、羧基化碳纳米管、羟基化碳纳米管等(包括其它所有型号的碳纳米管)中的一种或几种任意比例混合；浓酸为市售质量分数68％的浓硝酸，或者市售质量分数68％的浓硝酸与质量分数98％的浓硫酸任意比例混合。步骤(1)加热搅拌回流的温度为100-160℃，时间为12-96h；回流开始后，每隔4-48h补充一次碳前体，补充的碳前体为初始加入碳前体质量的10％-50％，初始加入碳前体质量与浓酸的体积比mg:mL为0.2-4.0:1。步骤(2)碱性物质为碱或碱性溶液，碱为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠等，碱性溶液为pH值大于7的溶液，中和可以在冰浴或水浴中进行，以吸收放热。步骤(3)透析时采用分子量为500-14000Da的透析袋。步骤(4)旋转蒸发温度为60-90℃，旋转蒸发过程持续抽真空。步骤(5)铜粉与步骤(4)的粉末的质量比为1000:1-10；球磨工艺为：先低速球磨5-10小时，随后高速球磨2-5小时，低速球磨转速为50-200rpm，高速球磨转速不小于400rpm；还原是在还原气氛下，250-350℃保温2-8h，还原气氛为氢气或者氢气与惰性气体任意比例混合的混合气氛。步骤(6)烧结方式为放电等离子烧结、冷压烧结、冷压烧结或者热等静压烧结，烧结温度为500-800℃，烧结保温时间为5-60min，烧结压力为10-50MPa，烧结的真空度小于0.1Pa。本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术多维增强体碳纳米管(一维)-石墨烯(二维)-石墨烯量子点(零维)粉末通过一锅法制备得到，其中石墨烯量子点生长在石墨烯的表面和边缘，经过酸氧化切割后，碳纳米管、石墨烯、石墨烯量子点表面都富含含氧官能团(羧基、羰基、羟基等)可以使得碳纳米管-石墨烯-石墨烯量子点复合增强体分散均匀，与铜的界面结合强度好。(2)与传统的铜基复合材料相比，本专利技术碳纳米管-石墨烯-石墨烯量子点多维增强体强化铜基材料不仅强度和延伸率明显提高，导电率也有一定程度的提高。附图说明图1为实施例1的碳纳米管-石墨烯-石墨烯量子点粉末分散于超纯水中的太阳光照射图(左)、红色激光笔照射图(中)以及365nm紫外灯照射图(右)；图2为实施例1制备的氮掺杂碳纳米管-石墨烯-石墨烯量子点多维增强体的透射电镜图；图3为实施例1制备的氮掺杂碳纳米管-石墨烯-石墨烯量子点-铜基复合材料与纯铜的应力-应变曲线图；图4为实施例2制备的石墨化碳纳米管-石墨烯-石墨烯量子点-铜基复合材料与纯铜的应力-应变曲线图。具体实施方式下面结合具体实施方式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。本专利技术实施例中使用的材料如未做特别说明，均是市购产品，使用的到的碳前体材料的各项参数如下表1：表1实施例1一种多维碳材料复合增强铜基材料的制备方法，具体步骤为：(1)酸裂解：500mg的氮掺杂碳纳米管与250mL的质量分数68％的浓硝酸均匀混合在1L的三口圆底烧瓶，加热至140℃并且搅拌回流48h；(2)碱中和：将步骤(1)的回流液用氢氧化钠在冰浴中中和至中性；(3)透析：将步骤(2)中和后的分散液用500Da的透析袋在超纯水中透析5天；(4)干燥：将步骤(3本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种多维碳材料复合增强铜基材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：/n(1)将碳前体与浓酸均匀混合，加热搅拌回流；/n(2)将步骤(1)回流产物用碱性物质中和滴定至中性；/n(3)将步骤(2)中和后的分散液在超纯水中透析4-6天；/n(4)将步骤(3)透析后的分散液旋转蒸发，冷冻干燥得到碳纳米管-石墨烯-石墨烯量子点粉末；/n(5)将铜粉与步骤(4)的产物粉末球磨后还原得到碳纳米管-石墨烯-石墨烯量子点-铜复合粉体；/n(6)将步骤(5)得到的复合粉末烧结得到复合材料。/n
【技术特征摘要】
1.一种多维碳材料复合增强铜基材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)将碳前体与浓酸均匀混合，加热搅拌回流；
(2)将步骤(1)回流产物用碱性物质中和滴定至中性；
(3)将步骤(2)中和后的分散液在超纯水中透析4-6天；
(4)将步骤(3)透析后的分散液旋转蒸发，冷冻干燥得到碳纳米管-石墨烯-石墨烯量子点粉末；
(5)将铜粉与步骤(4)的产物粉末球磨后还原得到碳纳米管-石墨烯-石墨烯量子点-铜复合粉体；
(6)将步骤(5)得到的复合粉末烧结得到复合材料。
2.根据权利要求1所述多维碳材料复合增强铜基材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)碳前体为碳纳米管，包括工业化碳纳米管、掺杂碳纳米管、石墨化碳纳米管、羧基化碳纳米管、羟基化碳纳米管中的一种或几种任意比例混合；浓酸为市售质量分数68％的浓硝酸，或者市售质量分数68％的浓硝酸与质量分数98％的浓硫酸任意比例混合。
3.根据权利要求1所述多维碳材料复合增强铜基材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)加热搅拌回流的温度为100-160℃，时间为12-96h。
4.根据权利要求3所述多维碳材料复合增强铜基材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)回流开始后，每隔4-48h补充一次碳前体，补充的碳前体为初始加入碳前体质量的10％-50％，初始加入碳前体质量...
【专利技术属性】
技术研发人员：鲍瑞，聂有良，易健宏，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南;53
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