[发明专利]一种制备碳纳米管增强铜基复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于金属基复合材料领域，特别涉及一种制备碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法。

背景技术

碳纳米管增强铜基复合材料将铜的高电导率的电学性能和碳纳米管的高弹性模量，高强度，高耐磨的力学性能的优点集于一身，突破了铜金属因为自身强度不够而不能满足高耐磨，高抗拉强度的更苛刻的应用条件的限制，使其在高速列车弓形滑板，开关电触头材料，以及精密电路框架引线等高端电气电子领域具有广泛的应用前景。

目前碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法主要是采用粉末冶金的方法，具体过程是先通过不同的方法制得复合粉体，再将复合粉体采用真空热压、等离子烧结等固结方式烧结成型制得碳纳米管增强铜基复合块体材料。其中根据复合粉体的制备方法不同衍生出化学镀法、分子水平混合、原位合成法、搅拌摩擦法、高能球磨法等。Byung K. Lim通过化学镀等离子烧结得到15vol%的碳纳米管增强铜基复合材料，电导率72%IACS，抗拉强度341.2MPa。Shukla.A.K将碳纳米管和铜粉高能球磨混合再热压烧结得到复合材料抗拉强度为330MPa。Cha和Kim采用分子水平混合法将表面功能化的碳管和醋酸铜混合-氢气还原得到复合粉体，再等离子烧结得到碳纳米管增强铜基复合材料，抗拉强度达到360MPa较纯铜提高了230%。专利CN201210095598.8“一种碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法”发明人蔡晓兰，该专利采用高能球磨法混料，退火-冷压-烧结成型技术方案制备的碳纳米管增强铜基复合材料，碳纳米管在基体中分散均匀，但是其成型工艺流程较长，所得到的复合材料导电性能提升有限。

目前围绕碳纳米管增强铜基复合材料主要存在的问题是碳纳米管与铜基体的界面结合性以及均匀分散性问题，另外采用传统的粉末冶金方法制备碳纳米管增强铜基复合材料流程繁琐复杂，因此开发出使碳管和基体分散均匀、界面结合良好并且生产流程简单的制备方法是推动纳米管增强铜基复合材料更广泛应用的关键。

发明内容

本发明提供一种制备碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法，该制备方法简单并且流程短，不仅能解决碳管在铜基体中分布均匀性和界面结合性问题，还能满足产业化连续批量生产的问题，制得抗拉强度和导电率均理想的高性能碳纳米管增强铜基复合材料，并且适合于产业化生产。

一种制备碳纳米管增强铜基复合材料的方法，具体包括以下步骤：

（1）将碳纳米管和铜粉按照质量比1:80-200的比例球磨均匀后，装入铜管中夯实并两端封口；

（2）将步骤（1）的铜管送入带有高频感应线圈的旋锻机内进行旋锻成型，经过多道次不同直径旋锻模具的旋锻成型，得到棒状碳纳米管增强铜基复合材料。

步骤（1）所述球磨转速为500-700r/min，球磨时间为60min。

步骤（2）所述铜管送入速度为10-50cm/min。

步骤（2）所述高频感应线圈的加热温度为550-750℃。

步骤（2）所述旋锻成型的变形道次为2-10次。

步骤（2）所述高频感应线圈设置在旋锻机内旋锻道的外部。

本发明的有益效果：

（1）高频感应线圈的加热和旋锻结合，旋锻变形中小变形区多次锻打产生的三向压应力变形，最终实现非常大的变形量，利于碳纳米管在铜基体内均匀分散以及与铜基体之间的界面结合，增加碳纳米管和铜基体的结合强度，细化晶粒，改善碳纳米管方向性使其轴向排布，利于提高复合材料的致密度、抗拉强度以及电导率，再加上旋锻本身对复合材料的加工硬化作用，得到的碳纳米管增强复合材料的力学性能和导电性能稳定。

（2）本方法流程短，工艺简单，利于产业化连续生产，而且旋锻复合材料时材料本身会产生热量，使得外加的成型温度可以降低，整个成型过程所需时间短，节约了能耗，无气体和固体废弃物产生从而实现了绿色生产的目标。

附图说明

图1为本发明旋锻感应加热成型装置部分结构示意图；

图2为本发明实施例1旋锻感应加热制备的棒状碳纳米管增强铜基复合材料；

图3为本发明实施例3的复合材料碳纳米管和铜基体的界面结合的TEM形貌；

图4为本发明实施例3和对比例复合材料的金相SEM形貌：（a）对比例的金相SEM形貌；（b）实施例3的金相SEM形貌；

图5为本发明实施例3的复合材料断口形貌：（a）实施例3的2000断口形貌；（b）实施例3的8000倍断口形貌；