一种CNTs/Cu复合板材的制备方法
文献发布时间：2023-06-19 15:47:50
技术领域
本发明属于铜基复合材料技术领域，具体涉及一种CNTs/Cu复合板材的制备方法。
背景技术
随着科学技术和社会经济的飞速发展，传统铜及其合金材料的强度、硬度、耐磨性及导电性等越来越难以满足许多领域对铜材料的性能需求，从而促进了铜基复合材料的发展。由于CNTs中碳原子是SP
目前CNTs与铜基体的界面结合能力是影响CNTs/Cu复合材料综合性能的主要因素，现有的碳纳米管铜基复合材料主要制备方法有机械球磨法、分子级混合法、电化学沉积法和原位生长法等，机械球磨法在球磨过程中总会不可避免的破坏CNTs的结构，分子级混合法会引入吸附剂，从而影响界面结合情况，原位生长法过程复杂、产率低，导致无法大规模生产，故本发明采用电化学沉积法，沉积过程简单且高效。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强高导CNTs/Cu复合板材的制备方法，用砂纸打磨清除铜丝表面氧化物，而后将其编成铜网，再使用电泳沉积的方法将CNTs沉积在铜网上，最后进行反复多次的折叠热压，得到碳纳米管铜基复合材料，这种方法使得铜基体与碳纳米管之间具有优良的结合力，且所制备的复合材料抗拉强度、塑性和导电性能优异。
本发明所述CNTs/Cu复合板材的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）将选取的纯铜丝放入酒精中清洗以去除油污，然后用砂纸打磨而后再用酒精清洗去除铜丝表面的氧化膜，保证铜丝表面无氧化物，随后将铜丝烘干，然后编织成铜网。
（2）将浓硫酸和浓硝酸混合，然后加入原始碳纳米管，置于水浴锅中加热，超声处理；之后将混合酸液倒入蒸馏水中，稀释并抽滤，将抽滤得到的CNTs继续置于蒸馏水中搅拌，再进行清洗并抽滤，重复此过程直至溶液变为中性，最后将CNTs在真空条件下烘干备用。
（3）称取步骤（2）中所述CNTs，并称取硝酸铝，将二者溶于酒精中超声处理制成电泳液。
（4）将步骤（1）编成的铜网置于电泳槽中，倒入电泳液，阳极为不锈钢板，阴极为铜网，保持阴极和阳极的距离为5cm，将碳纳米管均匀沉积在铜网上，而后将铜网烘干备用。
（5）将步骤（4）中的铜网经过多次折叠后置于热压机中缓慢加压并加热，然后重复此折叠热压过程，使CNTs/Cu界面结合效果进一步提高，从而提高材料性能，最终制备得到CNTs/Cu复合板材；所述CNTs/Cu复合板材是将CNTs沉积到铜网上热压而成，由于铜网的特殊结构，可以有效的将CNTs包裹其中
优选的，本发明步骤（1）中所述纯铜丝的直径为0.1~0.8mm。
优选的，本发明步骤（2）中浓硫酸和浓硝酸的体积比为3:1，超声时间为4h，每100ml酸洗液酸洗1g碳纳米管，烘干温度为40~50℃；其中浓硫酸和浓硝酸为市售分析纯。
优选的，本发明步骤（3）中所述电泳液中，碳纳米管的浓度为0.01~0.1mg/ml，硝酸铝的浓度为0.01~0.1mg/ml，超声处理时间为4h。
优选的，本发明步骤（4）中电泳沉积电压为20~30V，沉积时间为5~30min，沉积电压与沉积时间会直接影响CNTs沉积层的厚度，应根据实际需求选择沉积电压与沉积时间。
优选的，本发明、步骤（5）中热压温度为300~500℃，热压压力为70t~90t，热压时间为4~6h，折叠次数为2次，重复热压次数为3次。
本发明的有益效果：
（1）本发明所述方法选择了合适的热压参数，提供了充足的原子驱动力，可以有效促进原子扩散，且铜网的表面积很大，可以大大提高碳纳米管的附着率和分散效果，从而实现碳纳米管和铜的有效结合。
（2）本发明利用电泳沉积的方式将碳纳米管沉积到铜网表面，达到碳纳米管均匀分散的效果，避免因CNTs团聚和分散不均导致的复合效果不佳，且因为铜网的网状结构，在热压的过程中可以有效的将CNTs包裹在复合板材之中，进一步提升材料的结合效果，从而解决了粉末冶金工艺和层压制备工艺中因碳纳米管分布不均而导致的强度提升不明显和导电性下降的缺陷。
（3）本制备工艺是在高压力下进行热压，有效的将空气挤出，抑制了氧化膜和缺陷的产生，得到强度塑性同时提高且导电性保持在较高水平的CNTs/Cu复合材料。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
一种CNTs/Cu复合板材的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）将选取的纯铜丝用砂纸打磨，然后用酒精清洗去除铜丝表面的氧化膜；随后将铜丝烘干，然后将铜丝编成铜网；所述纯铜丝的直径0.1mm，铜网为长70mm宽50mm的矩形。
（2）将75ml浓硫酸和25ml浓硝酸混合（浓硫酸和浓硝酸的体积比为3:1），然后加入1g原始碳纳米管（每100ml酸洗液酸洗1g碳纳米管），置于60℃的水浴条件下，超声处理4h；之后将混合酸液倒入蒸馏水中，稀释并抽滤，将抽滤得到的CNTs继续置于蒸馏水中搅拌，再进行清洗并抽滤，重复此过程直至溶液变为中性，最后将CNTs在真空条件下烘干（烘干温度45℃）备用。
（3）称取步骤（2）中所述CNTs，并称取硝酸铝，将二者溶于酒精中超声处理制成电泳液，所述电泳液为1000ml，所用CNTs质量为0.01g，所用硝酸铝质量为0.01g，超声时间为4h。
（4）将步骤（1）编成的铜网置于电泳槽中，倒入电泳液，阳极为不锈钢板，阴极为铜网，保持阴极和阳极的距离为5cm，将CNTs均匀沉积在铜网上，而后将铜网烘干备用；电泳沉积电压为30V，电泳沉积时间为30min。
（5）将步骤（4）中的铜网折叠2次后在70t的压力下300℃的温度下热压3h，重复3次，得到CNTs/Cu复合板材，并对最终的板材进行性能测试。
测得纯铜丝的电导率为90%IACS，CNTs/Cu复合材料电导率为93%IACS，电导率相对于纯铜提高了3.3%。
测得纯铜抗拉强度为295Mpa，最终得到的CNTs/Cu复合材料抗拉强度为340Mpa，抗拉强度相对纯铜提高了15.2%。
测得纯铜的导热系数为360W/(m.K)，最终得到的CNTs/Cu复合材料的导热系数为398W/(m.K)，导热系数相对纯铜增加了10.5%。
实施例2
一种CNTs/Cu复合板材的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）将选取的纯铜丝用砂纸打磨，然后用酒精清洗去除铜丝表面的氧化膜；随后将铜丝烘干，然后将铜丝编成铜网；所述纯铜丝的直径0.5mm，铜网为长70mm宽50mm的矩形。
（2）将75ml浓硫酸和25ml浓硝酸混合（浓硫酸和浓硝酸的体积比为3:1），然后加入1g原始碳纳米管（每100ml酸洗液酸洗1g碳纳米管），置于60℃的水浴条件下，超声处理4h；之后将混合酸液倒入蒸馏水中，稀释并抽滤，将抽滤得到的碳纳米管继续置于蒸馏水中搅拌，再进行清洗并抽滤，重复此过程直至溶液变为中性，最后将CNTs在真空条件下烘干（烘干温度40℃）备用。
（3）称取步骤（2）中所述CNTs，并称取硝酸铝，将二者溶于酒精中超声处理制成电泳液，所述电泳液为1000ml，所用CNTs质量为0.05g，所用硝酸铝质量为0.05g，超声时间为4h。
（4）将步骤（1）编成的铜网置于电泳槽中，倒入电泳液，阳极为不锈钢板，阴极为铜网，保持阴极和阳极的距离为5cm，将CNTs均匀沉积在铜网上，而后将铜网烘干备用；电泳沉积电压为25V，电泳沉积时间为20min。
（5）将步骤（4）中的铜网折叠2次后在80t的压力下400℃的温度下热压4h，重复3次，得到CNTs/Cu复合板材，并对最终的板材进行性能测试。
测得纯铜丝的电导率为90%IACS，CNTs/Cu复合材料电导率为95%IACS，电导率相对于纯铜提高了5.6%。
测得纯铜抗拉强度为295Mpa，最终得到的CNTs/Cu复合材料抗拉强度为348Mpa，抗拉强度相对纯铜提高了18%。
测得纯铜的导热系数为360W/(m.K)，最终得到的CNTs/Cu复合材料的导热系数为405W/(m.K)，导热系数相对纯铜增加了12.5%。
实施例3
一种CNTs/Cu复合板材的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）将选取的纯铜丝用砂纸打磨，然后用酒精清洗去除铜丝表面的氧化膜；随后将铜丝烘干，然后将铜丝编成铜网；所述纯铜丝的直径0.8mm，铜网为长70mm宽50mm的矩形。
（2）将75ml浓硫酸和25ml浓硝酸混合（浓硫酸和浓硝酸的体积比为3:1），然后加入1g原始碳纳米管（每100ml酸洗液酸洗1g碳纳米管），置于60℃的水浴条件下，超声处理4h；之后将混合酸液倒入蒸馏水中，稀释并抽滤，将抽滤得到的碳纳米管继续置于蒸馏水中搅拌，再进行清洗并抽滤，重复此过程直至溶液变为中性，最后将CNTs在真空条件下烘干（烘干温度50℃）备用。
（3）称取步骤（2）中所述CNTs，并称取硝酸铝，将二者溶于酒精中超声处理制成电泳液，所述电泳液为1000ml，所用碳纳米管质量为0.1g，所用硝酸铝质量为0.1g，超声时间为4h。
（4）将步骤（1）编成的铜网置于电泳槽中，倒入电泳液，阳极为不锈钢板，阴极为铜网，保持阴极和阳极的距离为5cm，将CNTs均匀沉积在铜网上，而后将铜网烘干备用；电泳沉积电压为20V，电泳沉积时间为10min。
（5）将步骤（4）中的铜网折叠2次后在90t的压力下500℃的温度下热压5h，重复3次，得到CNTs/Cu复合板材，并对最终的板材进行性能测试。
测得纯铜丝的电导率为90%IACS，热处理后的CNTs/Cu复合材料电导率为98%IACS，电导率相对于纯铜提高了8.9%。
测得纯铜抗拉强度为295Mpa，最终得到的CNTs/Cu复合材料的抗拉强度为356Mpa，抗拉强度相对纯铜提高了20.7%。
测得纯铜的导热系数为360W/(m.K)，最终得到的CNTs/Cu复合材料的导热系数为412W/(m.K)，导热系数相对纯铜增加了14.4%。