一种添加有V元素的铜-金刚石复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及铜-金刚石复合材料技术领域，具体涉及一种添加有V元素的铜-金刚石复合材料及其制备方法。

背景技术

电子元器件的小型化和集成化导致功率器件的热流密度急剧增加，相应地要求电子封装材料具有高的热导率，以便提高热控系统的散热能力。金刚石是自然界中热导率最高的材料，金属铜也具有高的热导率，因此金刚石颗粒分散铜基(铜/金刚石)复合材料具有很好的导热潜力。

现有的铜-金刚石复合材料热导率差，同时耐磨性也不是很高，为了对其协调改进，而不使其任一性能变差，基于此，本发明对其进行协调改进处理。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种添加有V元素的铜-金刚石复合材料及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明提供了一种添加有V元素的铜-金刚石复合材料，包括以下重量份原料：

铜20-30份、金刚石5-10份、碳纳米管改性钒复合料2-6份、钛1-3份、稀土复合剂0.2-0.6份、表面处理液35-45份。

优选地，所述铜-金刚石复合材料包括以下重量份原料：

铜25份、金刚石7.5份、碳纳米管改性钒复合料4份、钛2份、稀土复合剂0.4份、表面处理液40份。

优选地，所述碳纳米管改性钒复合料的制备方法为：

S01：将5-10份钒加入到10-20份盐酸溶液中，然后加入1-6份海藻酸钠、0.2-0.6份烷基磺酸钠，搅拌混合充分，得到钒溶液；

S02：将2-6份碳纳米管送入到10-15份质量分数5-10％的壳聚糖溶液中，超声分散处理，超声结束，得到碳纳米管料；

S03：将碳纳米管料、钒溶液按照重量比1:3，于55-65℃下搅拌30-40min，搅拌转速为500-1000r/min，搅拌结束，水洗、干燥，得到碳纳米管改性钒复合料。

本发明的发明人发现碳纳米管改性钒复合料采用V代替，产品的导热、耐磨性能显著降低，同时发现碳纳米管采用石墨烯代替、纳米管改性钒复合料改性中未加入烷基磺酸钠，产品的改性效果均变差，只有采用本发明的方法制备的碳纳米管改性钒复合料改性效果最显著；

产品未添加钛、稀土复合剂，产品的性能变差，采用钛、稀土复合剂可起到协助产品的性能效果，起到协同增效的效果；

优选地，所述盐酸溶液的质量分数为5-10％；壳聚糖溶液的质量分数为10-20％。

优选地，所述超声分散处理的功率为100-200W，处理时间为20-30min。

优选地，所述稀土复合剂的制备方法为：将硫酸镧、硝酸钇按照重量比1:3混合配制，然后加入硫酸镧总量1-5％的硅粉，继续搅拌混合充分，得到稀土复合剂。

本发明还提供了一种添加有V元素的铜-金刚石复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将铜、金刚石、碳纳米管改性钒复合料、钛、稀土复合剂依次送入到搅拌机中进行混合，混合充分；

步骤二：然后送入到研磨机中研磨处理，研磨转速为1200-1500r/min，研磨时间为10-20min；

步骤三：随后送入到表面处理液中，于65-75℃下搅拌45-55min，搅拌转速为500-600r/min，搅拌结束，备用；

步骤四：再于模具中进行热压成型，得到本发明的铜-金刚石复合材料。

优选地，所述表面处理液的制备方法为：

S101：将5-10份硬脂酸钙、1-3份质量分数5％的硝酸钴溶液加入到10-15份硅烷偶联剂水溶液中，先搅拌混合充分，得到第一处理液；

S102：然后将十六烷基三甲基溴化铵、水按照重量比1:5配制成第二处理液；

S103：最后将第一处理液、第二处理液按照重量比3:1混合充分，得到表面处理液。

本发明的发明人发现未采用表面处理液处理，产品的性能也发生同步性变差，采用表面处理液处理能够实现协调式改进产品的性能效果；表面处理液中加入第二处理液，产品的改性效果增强，采用本发明的原料配比和制备方法制备的产品，可显著增强产品的导热、耐磨性能。

优选地，所述硅烷偶联剂水溶液为偶联剂KH570、水按照重量比1:8配制而成。

优选地，所述热压成型的温度为650-750℃，热压时间为10-20min，热压压力为15-25MPa。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明的铜-金刚石复合材料以铜、金刚石为材料基体，通过对V进行改性，改性采用碳纳米管改性，通过钒与盐酸、海藻酸钠、烷基磺酸钠配制成钒溶液，通过碳纳米管料的配合改性优化，制备的碳纳米管改性钒复合料能够增强V的分散，将V更好的与产品原料结合，形成的体系产品稳定性更好，从而增强产品的导热、耐磨性能，而钛、稀土复合剂的添加，原料之间起到协配的功效，进一步的增强产品的导热、耐磨性能，表面处理液采用硝酸钴溶液等加入到硅烷偶联剂水溶液中，配合十六烷基三甲基溴化铵、水溶液，形成的表面改性液改性产品体系，增强产品结构之间的界面性，进而在热压成型中，提高体系的整体稳定性，进而优化产品的导热、耐磨性能。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例的一种添加有V元素的铜-金刚石复合材料，包括以下重量份原料：

铜20-30份、金刚石5-10份、碳纳米管改性钒复合料2-6份、钛1-3份、稀土复合剂0.2-0.6份、表面处理液35-45份。

本实施例的铜-金刚石复合材料包括以下重量份原料：

铜25份、金刚石7.5份、碳纳米管改性钒复合料4份、钛2份、稀土复合剂0.4份、表面处理液40份。

本实施例的碳纳米管改性钒复合料的制备方法为：

S01：将5-10份钒加入到10-20份盐酸溶液中，然后加入1-6份海藻酸钠、0.2-0.6份烷基磺酸钠，搅拌混合充分，得到钒溶液；

S02：将2-6份碳纳米管送入到10-15份质量分数5-10％的壳聚糖溶液中，超声分散处理，超声结束，得到碳纳米管料；

S03：将碳纳米管料、钒溶液按照重量比1:3，于55-65℃下搅拌30-40min，搅拌转速为500-1000r/min，搅拌结束，水洗、干燥，得到碳纳米管改性钒复合料。

本实施例的盐酸溶液的质量分数为5-10％；壳聚糖溶液的质量分数为10-20％。

本实施例的超声分散处理的功率为100-200W，处理时间为20-30min。

本实施例的稀土复合剂的制备方法为：将硫酸镧、硝酸钇按照重量比1:3混合配制，然后加入硫酸镧总量1-5％的硅粉，继续搅拌混合充分，得到稀土复合剂。

本实施例的一种添加有V元素的铜-金刚石复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将铜、金刚石、碳纳米管改性钒复合料、钛、稀土复合剂依次送入到搅拌机中进行混合，混合充分；

步骤二：然后送入到研磨机中研磨处理，研磨转速为1200-1500r/min，研磨时间为10-20min；

步骤三：随后送入到表面处理液中，于65-75℃下搅拌45-55min，搅拌转速为500-600r/min，搅拌结束，备用；

步骤四：再于模具中进行热压成型，得到本发明的铜-金刚石复合材料。

本实施例的表面处理液的制备方法为：

S101：将5-10份硬脂酸钙、1-3份质量分数5％的硝酸钴溶液加入到10-15份硅烷偶联剂水溶液中，先搅拌混合充分，得到第一处理液；

S102：然后将十六烷基三甲基溴化铵、水按照重量比1:5配制成第二处理液；

S103：最后将第一处理液、第二处理液按照重量比3:1混合充分，得到表面处理液。

本实施例的硅烷偶联剂水溶液为偶联剂KH570、水按照重量比1:8配制而成。

本实施例的热压成型的温度为650-750℃，热压时间为10-20min，热压压力为15-25MPa。

实施例1.

本实施例的一种添加有V元素的铜-金刚石复合材料，包括以下重量份原料：

铜20份、金刚石5份、碳纳米管改性钒复合料2份、钛1份、稀土复合剂0.2份、表面处理液35份。

本实施例的碳纳米管改性钒复合料的制备方法为：

S01：将5份钒加入到10份盐酸溶液中，然后加入1份海藻酸钠、0.2份烷基磺酸钠，搅拌混合充分，得到钒溶液；

S02：将2份碳纳米管送入到10份质量分数5％的壳聚糖溶液中，超声分散处理，超声结束，得到碳纳米管料；

S03：将碳纳米管料、钒溶液按照重量比1:3，于55℃下搅拌30min，搅拌转速为500r/min，搅拌结束，水洗、干燥，得到碳纳米管改性钒复合料。

本实施例的盐酸溶液的质量分数为5％；壳聚糖溶液的质量分数为10％。

本实施例的超声分散处理的功率为100W，处理时间为20min。

本实施例的稀土复合剂的制备方法为：将硫酸镧、硝酸钇按照重量比1:3混合配制，然后加入硫酸镧总量1％的硅粉，继续搅拌混合充分，得到稀土复合剂。

本实施例的一种添加有V元素的铜-金刚石复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将铜、金刚石、碳纳米管改性钒复合料、钛、稀土复合剂依次送入到搅拌机中进行混合，混合充分；

步骤二：然后送入到研磨机中研磨处理，研磨转速为1200r/min，研磨时间为10min；

步骤三：随后送入到表面处理液中，于65℃下搅拌45min，搅拌转速为500r/min，搅拌结束，备用；

步骤四：再于模具中进行热压成型，得到本发明的铜-金刚石复合材料。

本实施例的表面处理液的制备方法为：

S101：将5份硬脂酸钙、1份质量分数5％的硝酸钴溶液加入到10份硅烷偶联剂水溶液中，先搅拌混合充分，得到第一处理液；

S102：然后将十六烷基三甲基溴化铵、水按照重量比1:5配制成第二处理液；

S103：最后将第一处理液、第二处理液按照重量比3:1混合充分，得到表面处理液。

本实施例的硅烷偶联剂水溶液为偶联剂KH570、水按照重量比1:8配制而成。

本实施例的热压成型的温度为650℃，热压时间为10min，热压压力为15MPa。

实施例2.

本实施例的一种添加有V元素的铜-金刚石复合材料，包括以下重量份原料：

铜30份、金刚石10份、碳纳米管改性钒复合料6份、钛3份、稀土复合剂0.6份、表面处理液45份。

本实施例的碳纳米管改性钒复合料的制备方法为：

S01：将10份钒加入到20份盐酸溶液中，然后加入6份海藻酸钠、0.6份烷基磺酸钠，搅拌混合充分，得到钒溶液；

S02：将6份碳纳米管送入到15份质量分数10％的壳聚糖溶液中，超声分散处理，超声结束，得到碳纳米管料；

S03：将碳纳米管料、钒溶液按照重量比1:3，于65℃下搅拌40min，搅拌转速为1000r/min，搅拌结束，水洗、干燥，得到碳纳米管改性钒复合料。

本实施例的盐酸溶液的质量分数为10％；壳聚糖溶液的质量分数为20％。

本实施例的超声分散处理的功率为200W，处理时间为30min。

本实施例的稀土复合剂的制备方法为：将硫酸镧、硝酸钇按照重量比1:3混合配制，然后加入硫酸镧总量5％的硅粉，继续搅拌混合充分，得到稀土复合剂。

本实施例的一种添加有V元素的铜-金刚石复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将铜、金刚石、碳纳米管改性钒复合料、钛、稀土复合剂依次送入到搅拌机中进行混合，混合充分；

步骤二：然后送入到研磨机中研磨处理，研磨转速为1500r/min，研磨时间为20min；

步骤三：随后送入到表面处理液中，于75℃下搅拌55min，搅拌转速为600r/min，搅拌结束，备用；

步骤四：再于模具中进行热压成型，得到本发明的铜-金刚石复合材料。

本实施例的表面处理液的制备方法为：

S101：将10份硬脂酸钙、3份质量分数5％的硝酸钴溶液加入到15份硅烷偶联剂水溶液中，先搅拌混合充分，得到第一处理液；

S102：然后将十六烷基三甲基溴化铵、水按照重量比1:5配制成第二处理液；

S103：最后将第一处理液、第二处理液按照重量比3:1混合充分，得到表面处理液。

本实施例的硅烷偶联剂水溶液为偶联剂KH570、水按照重量比1:8配制而成。

本实施例的热压成型的温度为750℃，热压时间为20min，热压压力为25MPa。

实施例3.

本实施例的一种添加有V元素的铜-金刚石复合材料，包括以下重量份原料：

铜25份、金刚石7.5份、碳纳米管改性钒复合料4份、钛2份、稀土复合剂0.4份、表面处理液40份。

本实施例的碳纳米管改性钒复合料的制备方法为：

S01：将6份钒加入到12份盐酸溶液中，然后加入2份海藻酸钠、0.3份烷基磺酸钠，搅拌混合充分，得到钒溶液；

S02：将3份碳纳米管送入到12份质量分数6％的壳聚糖溶液中，超声分散处理，超声结束，得到碳纳米管料；

S03：将碳纳米管料、钒溶液按照重量比1:3，于56℃下搅拌35min，搅拌转速为600r/min，搅拌结束，水洗、干燥，得到碳纳米管改性钒复合料。

本实施例的盐酸溶液的质量分数为6％；壳聚糖溶液的质量分数为11％。

本实施例的超声分散处理的功率为150W，处理时间为25min。

本实施例的稀土复合剂的制备方法为：将硫酸镧、硝酸钇按照重量比1:3混合配制，然后加入硫酸镧总量2％的硅粉，继续搅拌混合充分，得到稀土复合剂。

本实施例的一种添加有V元素的铜-金刚石复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将铜、金刚石、碳纳米管改性钒复合料、钛、稀土复合剂依次送入到搅拌机中进行混合，混合充分；

步骤二：然后送入到研磨机中研磨处理，研磨转速为1350r/min，研磨时间为15min；

步骤三：随后送入到表面处理液中，于70℃下搅拌50min，搅拌转速为550r/min，搅拌结束，备用；

步骤四：再于模具中进行热压成型，得到本发明的铜-金刚石复合材料。

本实施例的表面处理液的制备方法为：

S101：将7.5份硬脂酸钙、2份质量分数5％的硝酸钴溶液加入到12.5份硅烷偶联剂水溶液中，先搅拌混合充分，得到第一处理液；

S102：然后将十六烷基三甲基溴化铵、水按照重量比1:5配制成第二处理液；

S103：最后将第一处理液、第二处理液按照重量比3:1混合充分，得到表面处理液。

本实施例的硅烷偶联剂水溶液为偶联剂KH570、水按照重量比1:8配制而成。

本实施例的热压成型的温度为700℃，热压时间为15min，热压压力为20MPa。

实施例4.

本实施例的一种添加有V元素的铜-金刚石复合材料，包括以下重量份原料：

铜22份、金刚石6份、碳纳米管改性钒复合料3份、钛2份、稀土复合剂0.3份、表面处理液36份。

本实施例的碳纳米管改性钒复合料的制备方法为：

S01：将6份钒加入到12份盐酸溶液中，然后加入2份海藻酸钠、0.3份烷基磺酸钠，搅拌混合充分，得到钒溶液；

S02：将3份碳纳米管送入到12份质量分数6％的壳聚糖溶液中，超声分散处理，超声结束，得到碳纳米管料；

S03：将碳纳米管料、钒溶液按照重量比1:3，于57℃下搅拌32min，搅拌转速为600r/min，搅拌结束，水洗、干燥，得到碳纳米管改性钒复合料。

本实施例的盐酸溶液的质量分数为6％；壳聚糖溶液的质量分数为12％。

本实施例的超声分散处理的功率为120W，处理时间为22min。

本实施例的稀土复合剂的制备方法为：将硫酸镧、硝酸钇按照重量比1:3混合配制，然后加入硫酸镧总量2％的硅粉，继续搅拌混合充分，得到稀土复合剂。

本实施例的一种添加有V元素的铜-金刚石复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将铜、金刚石、碳纳米管改性钒复合料、钛、稀土复合剂依次送入到搅拌机中进行混合，混合充分；

步骤二：然后送入到研磨机中研磨处理，研磨转速为1300r/min，研磨时间为12min；

步骤三：随后送入到表面处理液中，于67℃下搅拌46min，搅拌转速为520r/min，搅拌结束，备用；

步骤四：再于模具中进行热压成型，得到本发明的铜-金刚石复合材料。

本实施例的表面处理液的制备方法为：

S101：将6份硬脂酸钙、1.2份质量分数5％的硝酸钴溶液加入到12份硅烷偶联剂水溶液中，先搅拌混合充分，得到第一处理液；

S102：然后将十六烷基三甲基溴化铵、水按照重量比1:5配制成第二处理液；

S103：最后将第一处理液、第二处理液按照重量比3:1混合充分，得到表面处理液。

本实施例的硅烷偶联剂水溶液为偶联剂KH570、水按照重量比1:8配制而成。

本实施例的热压成型的温度为660℃，热压时间为12min，热压压力为16MPa。

对比例1.

与实施例3不同是碳纳米管改性钒复合料采用V代替。

对比例2.

与实施例3不同是碳纳米管改性钒复合料改性中碳纳米管采用石墨烯代替。

对比例3.

与实施例3不同是碳纳米管改性钒复合料改性中未加入烷基磺酸钠。

对比例4.

与实施例3不同是未添加钛、稀土复合剂。

对比例5.

与实施例3不同是未采用表面处理液处理。

对比例6

与实施例3不同是表面处理液中未加入第二处理液。

先采用导热系数测试仪测试导热系数，再测试磨损性能；采用CETR-3型摩擦磨损试验机评价各产品的耐磨性能，载荷为5N，摩擦副为直径5mm的GCr15钢球，摩擦频率为6Hz，摩擦行程2mm，摩擦时间30min，并用电子天平称量磨损前后的质量以计算磨损量。

实施例1-4及对比例1-6性能测量结果如下

从实施例1-4及对比例1-6中得出，本发明实施例3的产品具有优异的耐磨、导热性能；

碳纳米管改性钒复合料采用V代替，产品的导热、耐磨性能显著降低，同时发现碳纳米管采用石墨烯代替、纳米管改性钒复合料改性中未加入烷基磺酸钠，产品的改性效果均变差，只有采用本发明的方法制备的碳纳米管改性钒复合料改性效果最显著；

产品未添加钛、稀土复合剂，产品的性能变差，采用钛、稀土复合剂可起到协助产品的性能效果，起到协同增效的效果；

此外，未采用表面处理液处理，产品的性能也发生同步性变差，采用表面处理液处理能够实现协调式改进产品的性能效果；表面处理液中加入第二处理液，产品的改性效果增强，采用本发明的原料配比和制备方法制备的产品，可显著增强产品的导热、耐磨性能。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。