一种铜/碳纳米管复合线材的制备方法技术

一种铜/碳纳米管复合线材的制备方法，首先通过悬浮催化或者湿法纺丝法等制备得到碳纳米管纤维，将多股纤维并股加捻成较粗的碳纳米管线，对其进行表面功能化处理后，再将其装入与之内径相匹配的无氧铜管中，得到铜/碳纳米管组合前驱体，对前驱体进行高温热处理后使碳纳米管线与铜层粘连结合，最后通过轧制、拉拔等加工工艺，制备成品铜/碳纳米管复合导线。本发明专利技术以碳纳米管纤维为核心，所制备的轻质、高性能复合导线在新能源电动汽车、HKHT及GFJG等领域具有广泛的应用景。等领域具有广泛的应用景。等领域具有广泛的应用景。

【技术实现步骤摘要】
一种铜/碳纳米管复合线材的制备方法


[0001]本专利技术涉及电工材料制造领域，尤其是涉及一种铜/碳纳米管复合线材的制备方法。

技术介绍

[0002]在各类金属材料中，铜因为其良好的延展性、高导热性和导电性以及优异的力学性能，一直被视为是重要的支柱性材料之一，被广泛应用于电气、轻工、机械制造、建筑工业、GF工业等领域。但是，随着科技和工业的进步，铜的应用领域，尤其是WX探测、HKHT领域，对铜材综合性能提出了更高的要求，开发具有轻质、高性能的铜基复合材料成为了迫切任务。在制备铜基复合材料的各种增强材料中，碳纳米管是一种理想的多功能纳米级增强复合材料。首先，碳纳米管具有质量轻、密度小的优点；其次，碳纳米管具有极高的力学性能、优异的电导率和导热性以及独特的原子结构。此外，碳纳米管还具有极高的载流能力，比铜(106A
·
cm
‑2)高一千倍。因此，将铜与碳纳米管复合有望制备得到轻质、高性能复合导线。
[0003]目前制备碳纳米管增强铜基复合材料常用的工艺主要有粉末冶金法、热压烧结法、喷涂法、原位自生法和电化学沉积法等。但是通常这类方法工艺比较繁琐，所得到的复合材料中含碳量非常少，难以达到轻质的效果。而直接以碳纳米管为核心、通过表面镀铜形成的复合纤维，虽能大幅降低复合材料的密度，却很难形成结构均匀的、可实用的长导线。因此，急需开拓新的研究方法和制备工艺来解决上述问题。以碳纳米管纤维为核心，结合装管和塑性加工的工艺技术，为轻质、高性能的铜/碳纳米管复合导线的制备提供了新的研究思路。
专利
技术实现思路

[0004]本专利技术目的在于提供一种铜/碳纳米管复合线材的制备方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。本专利技术可以简化铜/碳纳米管复合线材的制备流程，通过纤维装管形成铜/碳纳米管组合前驱体，并调控碳纳米管的含量以实现复合导线密度的大幅度降低，在高温热处理后经过塑性加工获得具有高电导率、高载流的复合导线。上述方法通过对纤维表面的功能化处理可以有效地改善铜与碳纳米管之间不浸润、结合弱的问题，增强其界面连接性。
[0005]本专利技术提出的轻质、高性能铜/碳纳米管复合线材的制备方法，包括以下步骤：
[0006]一、多股纤维并股复捻。取多股均匀的碳纳米管纤维，通过并股搓捻成较粗的碳纳米管线。
[0007]二、表面处理。对获得的碳纳米管线进行表面功能化处理。
[0008]三、纤维装管。将复捻的粗纤维装入与之内径相匹配的无氧铜管中，得到铜/碳纳米管组合前驱体。
[0009]四、高温热处理。对铜/碳纳米管组合前驱体进行高温热处理，使其融化或软化，让铜层与碳纳米管线粘连结合。
[0010]五、轧制拉拔成铜/碳纳米管复合线材。对热处理后的复合体进行轧制，再经过多次拉拔以后获得铜/碳纳米管复合线材。
[0011]本专利技术采用如下技术方案：
[0012]一种铜/碳纳米管复合线材的制备方法，包括如下步骤：
[0013]1)利用悬浮催化法或湿法纺丝法制备碳纳米管纤维，然后将多股碳纳米管纤维并股加捻，形成碳纳米管线；
[0014]2)将所得到的碳纳米管线进行表面功能化处理；
[0015]3)将经过表面功能化处理的碳纳米管线装入无氧铜管中，得到铜/碳纳米管组合前驱体；
[0016]4)对铜/碳纳米管组合前驱体进行热处理使铜层与碳纳米管线粘连结合，得到热处理后的铜/碳纳米管复合体；
[0017]5)对热处理后的铜/碳纳米管复合体进行轧制和拉拔后，制得成品铜/碳纳米管复合线材。
[0018]进一步的，所述步骤1)中，碳纳米管纤维直径10
‑
100μm，取2
‑
40股并股复捻，碳纳米管线的直径为0.05
‑
1mm，长度≥10cm。
[0019]进一步的，所述步骤2)中，表面功能化处理方式包括：阳极氧化预处理和冲击金属预处理。冲击的金属元素可以为镍、钨、钛、铬等，镀层厚度为0.5
‑
2μm。
[0020]进一步的，所述步骤3)中，无氧铜管的内径为0.5
‑
2.5mm，壁厚为0.1
‑
1mm，长度≥8cm。
[0021]进一步的，所述步骤3)中，无氧铜管利用砂纸打磨，并以乙醇、丙酮、5wt％盐酸、丙酮和乙醇的顺序超声清洗。
[0022]进一步的，所述步骤4)中，热处理过程处于惰性气体和氢气气氛下，热处理温度是1080
‑
1090℃，保温时间为1
‑
60min。
[0023]进一步的，所述步骤5)中，复合线材以每道次5％
‑
20％变形率，每分钟0.2
‑
2m的速率，进行多道次的冷轧和拉拔加工，最后获得直径为0.1
‑
0.5mm的铜/碳纳米管复合线材。
[0024]本专利技术所制备的铜/碳纳米管复合线材具有以下优点：
[0025]本专利技术方法设计新颖，工艺简便，设备简单，易于实现。以高强度、低密度的碳纳米管纤维为核心，通过装管
‑
高温
‑
塑性加工，实现轻质、高性能复合导线的均匀化制备。此外，所使用的碳纳米管纤维经过表面功能化处理，可以有效地促进铜、碳二者的界面连接。本专利技术所提供的制备方法，适用于新型轻质、高性能复合导线的制备，有利于实现HKHT、GFJG以及新能源电动汽车等领域的技术突破，具有巨大的商业价值，可满足国家经济、社会发展对节能环保、绿色发展和能源科技创新的重大需求。
[0026]本专利技术方法制备的轻质、高性能铜/碳纳米管复合导线的电导率为90％
‑
110％，载流量为1.0
×
105‑1×
106Acm
‑2，抗拉强度为300
‑
550MPa，密度为7.0
‑
9.0g cm
‑2。
附图说明
[0027]图1本专利技术铜/碳纳米管复合线材制备工艺流程；
[0028]图2本专利技术铜/碳纳米管复合导线的结构图；
[0029]图3本专利技术实施例3中铜/碳纳米管复合导线的性能表征。
具体实施方式
[0030]下面结合附图及具体实施例详细介绍本专利技术。但以下的实施例仅限于解释本专利技术，本专利技术的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例的叙述，本领域的技术人员是可以完全实现本专利技术权利要求的全部内容。
[0031]图1为本专利技术铜/碳纳米管复合线材制备工艺流程。如图1所示，本专利技术提出的轻质、高性能铜/碳纳米管复合线材的制备方法，包括以下步骤：
[0032]一、多股纤维并股复捻。取多股均匀的碳纳米管纤维，通过并股搓捻成较粗的碳纳米管线。
[0033]二、表面处理。对获得的碳纳米管线进行表面功能化处理。
[0034]三、纤维装管。将功能化处理后的碳纳米管线装入与之内径相匹配的无氧铜管中，得到铜/碳纳米管组合前驱体。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铜/碳纳米管复合线材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)取碳纳米管纤维，然后将多股碳纳米管纤维并股加捻，形成碳纳米管线；2)将所得到的碳纳米管线进行表面功能化处理；3)将经过表面功能化处理的碳纳米管线装入无氧铜管中，得到铜/碳纳米管组合前驱体；4)对铜/碳纳米管组合前驱体进行热处理使铜层与碳纳米管线粘连结合，得到热处理后的铜/碳纳米管复合体；5)对热处理后的铜/碳纳米管复合体进行轧制和拉拔后，制得成品铜/碳纳米管复合线材。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中单根碳纳米管纤维直径为10
‑
100μm，取2
‑
40股并股复捻，碳纳米管线的直径为0.05
‑
1mm，长度＞9cm。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述表面功能化处理，其处理方式包括：阳极氧化预处理和表面金属化预处理；金属元素为镍、钨、钛或铬，金属化预处理所得金属层厚度...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛江丽，高召顺，左婷婷，茹亚东，伍岳，韩立，肖立业，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：