[发明专利]管内粉末轧制制备碳纳米管增强铜基复合材料的方法

说明书

技术领域

 本发明涉及一种管内粉末轧制制备碳纳米管增强铜基复合材料的方法，属于铜基复合材料的制备技术。

背景技术

铜具有高的热导率、优良的导电率(仅次于银)、良好的机械加工性，以及较低的成本,使铜广泛应用于电力输送，电子封装散热和工程结构材料领域。然而，铜的力学性能较低,使其在实际应用过程中由于强度不足而失效，大大限制了铜的应用。通过粉末冶金方法在铜粉中添加合适的第二相来强化铜基体，可望大大提高铜的力学性能。碳纳米管（CNTs）具有高强度、高导电、高导热、低膨胀、密度小等优异性能，并且具有良好的柔韧性，是高强高导电导热材料的理想增强体。

目前碳纳米管铜基复合材料的制备工艺主要包括以下几种：

一、粉末冶金法。其工序为（1）原料粉末的制取和准备；（2）将金属粉末制成所需形状的坯块；（3）将坯块在物料主要组元熔点以下的温度进行烧结，为提高材料性能还可对压实的坯料进行热压或热挤压等后续处理。董树荣等将表面化学镀镍处理后的 CNTs 与铜粉球磨混合后经 335MPa 冷压，850℃真空烧结、轧制、真空退火处理制成 CNTs/Cu 复合材料，扫描电镜下观察发现 CNTs 的分布较均匀，彼此粘结较少，复合材料的硬度和耐磨性得到提高。Cha等采用改进的化学共沉积法（“分子水平混合”法）获得CNTs 较均匀分布于铜粉中的复合粉末，且 CNTs 进入 Cu 颗粒内部，然后用放电等离子体烧结工艺制备 CNTs/Cu 复合材料，所得复合材料的屈服强度比基体提高 300%，并证实 CNTs 是最好的增强体。

二、液态浸渍法。液态浸渍法属于液相法的一种，该方法的基本过程是使金属熔体在一定温度和气氛条件下浸渍渗透到具有一定形状和较高孔隙率的预制块体中，被浸渍的预制块体凝固后得到金属基复合材料。Lee等采用压力浸渍法制备了单向排布的 CNFs 增强 Cu 基复合材料，为了使 CNFs 单向排列，首先将 CNFs 装入直径 8mm 的铜管中，然后连续拉拔至 0.2mm，然后将拉拔后的铜管束放入特制模具中进行液态浸渍得到单向排列的 CNFs/Cu 复合材料，当 CNFs 的含量为 13% 时，所得复合材料的抗拉强度为 476MPa，是纯铜（220MPa）的 2 倍多。

三、电化学沉积法。电化学沉积法也是目前制备CNTs增强金属基复合材料的主要方法之一。Yang等在超声场中采用电化学沉积法制备了单壁碳纳米管增强铜基复合材料涂层，在保持高的导电性的同时，复合材料的力学性能得到明显提高。Chai等采用一种新颖的电沉积制备技术，实现了CNTs在铜基体中很好分散和高的 CNTs与铜的界面结合强度，Cu/CNT纳米复合材料的机械强度比纯铜提高了3倍以上。Ngo等利用改进的电化学沉积技术，制备了铜填充垂直排列的碳纳米纤维阵列。

四、原位合成法。近年来，人们已经开始尝试采用原位合成法制备 CNTs 增强金属基复合材料。Li等以19层SWNTs薄膜和20层Cu薄片作原料，利用冷轧和退火处理的工艺制得“三明治”形式的SWNTs/Cu复合材料，其抗拉强度和杨氏模量分别为 361MPa 和 132GPa。孙巍等提出采用区域熔炼法技术改善 CNTs 在基体中的分布和细化晶粒。但目前突破性的研究成果不多，制约其发展的主要问题是：CNTs 与基体的均匀分散性和界面浸润性差，使其很难充分实现对基体的弥散强化和荷载传递作用，并且制备工艺较复杂。因此，寻求新的制备技术以克服现有方法的不足，是发展 CNTs 增强金属基复合材料的关键。

综上，本发明提供一种管内粉末轧制制备碳纳米管增强铜基复合材料的方法，该方法优化复合材料制备工艺，提高碳纳米管在铜基体上的分散性同时，能够不造成对其结构的破坏，获得具有较高强度和导电的CNTs/Cu复合材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种管内粉末轧制制备碳纳米管增强铜基复合材料的方法。该方法制备工艺简单稳定，提高碳纳米管在铜基体上的分散性同时，能够不造成对其结构的破坏，所制得的碳纳米管增强铜基复合材料的性能优良。

本发明是通过以下技术方案实现的，一种管内粉末轧制制备碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于包括以下过程：

1）碳纳米管铜复合粉末的制备