[发明专利]一种铜包碳纳米管增强铜基复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种铜包碳纳米管增强铜基复合材料及其制备方法，属于复合材料制备技术领域。本发明通过将碳纳米管和极性溶剂混合，提高碳纳米管自身的分散性；通过氧化处理，提高碳纳米管在敏化活化溶液中的相容性和分散性；通过敏化活化处理使碳纳米管表面形成微小的凝结核，利于化学镀铜时铜在碳纳米管表面的析出；通过限定化学镀铜反应的温度为45～85℃，pH值为10～12，可以促进化学镀铜反应的充分进行得到铜单质；由于铜包碳纳米管的密度与铜密度接近，可以使得铜粉在碳纳米管中的分散效果更佳；通过采用冷喷涂工艺，粉末几乎不发生氧化，涂层孔隙率低，涂层致密，从而利于形成优质的铜包碳纳米管增强铜基复合材料。

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，尤其涉及一种铜包碳纳米管增强铜基复合材料及其制备方法。

背景技术

随着航天航空、机械工业和电子工业的飞速发展，对高强高导复合材料的需求越来越迫切，铜及其合金因其具有良好的导电导热性能、较强的延展性能和抗腐蚀性能成为复合材料研究的热点。然而铜及其合金在力学性能方面却存在不足之处，通过引入传统的颗粒或纤维增强体，虽然提高了铜基复合材料力学性能，但是其带来的导电和导热性能的降低使铜基复合材料的应用范围受到了限制。

碳纳米管具有优异的力学(40GPa的抗拉强度以及1TPa的刚度，分别为钢的20倍和5倍)、电学、热学和磁学等性能，且碳纳米管性质稳定，通常不与铜基体发生反应是铜基复合材料理想的增强体。若能成功将碳纳米管作为增强体引入铜基复合材料中，能在提高材料力学性能的同时具有优异的导电和导热性能。然而由于碳纳米管具有巨大的长径比，在铜基体中易产生团聚。此外，铜合金不润湿碳纳米管表面，二者界面结合性能差。上述问题限制了碳纳米管在铜基复合材料中的应用。

目前碳纳米管-铜复合材料的制备主要为混粉、粉末冶金方法、电化学沉积和热喷涂等。混粉的方法主要为超声分散和球磨，超声分散方法流程复杂，得到的混合粉还需继续进行加工才能制备复合材料，操作较为复杂；球磨过程中能量较大，碳纳米管的结构容易遭到破坏，影响碳纳米管-铜复合材料的界面作用。粉末冶金法可控性能差，局限性较多。电化学沉积法的沉积液的成分、工艺参数的选择会直接影响制备的复合材料的组织和性能，不能很好地调控制备。热喷涂工作温度较高，热喷涂过程中容易造成碳纳米管的烧损。

可见，上述制备方法存在操作复杂、制备出的碳纳米管-铜复合材料存在碳纳米管的团聚和碳纳米管-铜的界面结合作用差的问题。在专利申请CN102458719A中提到采用碳纳米管作为增强体，先通过化学工艺用金属对单壁碳纳米管或多壁碳纳米管进行封装或涂覆；另一种有利的变型是对金属粉末和碳纳米管扩散物/悬浮物进行混合，然后对混合物进行干燥，使得金属粉末颗粒被碳纳米管封装。通过冷喷涂技术对碳纳米管与金属混合物进行涂覆，可以改善涂层的性能并从而改善这样产生的材料性能。碳纳米管与金属之间的高界面能导致碳纳米管与金属之间缺乏润湿性，而此专利是直接将碳纳米管与金属粉末直接混合的，根本没有实质解决碳纳米管的团聚及碳纳米管与金属之间缺乏润湿性的问题。在专利申请CN101716677A中将碳纳米管氧化处理后，经敏化和活化，在15～25℃的镀液中超声处理进行化学镀铜反应，最终在碳纳米管表面获得连续的铜氧化物镀层，采用氢气还原铜氧化物，得到铜-碳纳米管复合粉体。用此方法制备铜-碳纳米管复合粉体需要采用氢气还原铜氧化物，氢气是易燃易爆气体使用过程有危险，导致此制备方法的使用有局限性。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种铜包碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法，本发明提供的制备方法不但可以无需氢气还原，并且得到的铜包碳纳米管增强铜基复合材料中碳纳米管分散性良好；并且铜包碳纳米管增强铜基复合材料的致密度可以达到98.72，碳纳米管与铜之间具有良好的界面结合作用；也不会像热喷涂那样因工作温度高造成碳纳米管的烧损。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供了一种铜包碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：