[发明专利]一种单壁碳纳米管表面镍铜涂层的制备方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种单壁碳纳米管表面镍铜涂层的制备方法，属于碳纳米管表面处理工艺技术领域。

背景技术

单壁碳纳米管具有近乎完美的键合结构和多方面的优异性能，使其成为可同时显著改善基体力学性能、导热性及导电性，减少摩擦系数及热膨胀系数的理想材料。但由于铜金属基体与碳纳米管间的湿润性差，界面结合强度差，界面区物理性质（如弹性模量、热导率、线膨胀系数、热力学参数）和化学性质不连续，导致碳纳米管增强铜基复合材料的各种宏观性能如导电、导热及热膨胀性能、应力与应变分布、载荷传递等表现不理想。

目前提高界面结合强度的方法有粗化增强相表面、增加引发界面反应的合金元素以及沉积中间层。前两种易破坏碳纳米管或引入杂质。沉积中间层的方法有：化学镀、溶胶－凝胶技术、CVD或PVD。溶胶－凝胶技术和气相沉积法需要昂贵的设备或复杂的技术，化学镀工艺不损伤被镀基体表面，稳定可靠，设备简单，操作方便，具有优良的均镀和深镀能力。然而目前常规碳纳米管表面化学镀铜工艺制备的金属铜层中，存在大量杂质元素氧，主要以铜氧化物（CuO及Cu₂O）形式存在，使镀层的导热、导电能力以及力学性能下降，同时作为碳纳米管与复合材料铜基体间的过渡层，镀层中铜氧化物的存在也降低了界面的结合强度。

中国发明专利“碳纳米管-铜氧化物复合粉体的制备方法”（CN 101716677 A）公开了一种用化学镀的工艺在碳纳米管表面沉积氧化铜层（CuO及Cu₂O）的方法。化学镀铜后在200℃下，采用氢气将沉积层铜氧化物还原成单质铜，并同时完成铜的晶化过程，得到镀覆均匀连续且厚度适合的单质铜镀层。该工艺方法的不足之处在于需要通入易燃易爆气体氢气，不易控制，设备与工艺较为复杂，时间长，成本较高。

发明内容

本发明的目的是解决现有碳纳米管增强铜基复合材料由于界面问题导致的宏观性能不理想的关键技术问题，克服碳纳米管表面覆铜处理工艺的不足之处，提供一种实用、有效、可控的单壁碳纳米管表面铜涂层的无氧化制备方法，从而使单壁碳纳米管与复合材料铜基体间的过渡层界面具有较好的结合强度。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种单壁碳纳米管表面镍铜涂层的制备方法，包括如下步骤：

（1）对单壁碳纳米管依次进行分散、纯化、敏化、活化的预处理；

（2）单壁碳纳米管表面镍层的沉积：

将预处理后的单壁碳纳米管加入到化学镀镍溶液中，氨水调节其pH值为8.2~8.8，在10~45℃的温度下，超声处理至待镀液中无气泡产生，然后过滤，洗涤至中性；所述的超声条件为：水浴式超声频率20~100kHz，功率20~100W，每超声2~8s停2~8s；所述SDBS的浓度为0.2~0.8w/v%；

（3）单壁碳纳米管表面沉积铜层：

将表面沉积有镍层的单壁碳纳米管加入到化学镀铜溶液中，用NaOH调节其pH值在12.2~12.8之间，在40~50℃的温度下，超声处理至待镀液中无气泡产生，然后过滤，洗涤至中性，真空干燥4~24h，即得单壁碳纳米管表面镍铜涂层；所述超声条件为：水浴式超声频率20~100kHz、功率20~100W，期间每超声2~8s停2~8s。

所述单壁碳纳米管的直径为1~2nm，长度为5~30μm，纯度>95wt.%，灰烬<1.5wt.%，比表面积>407m²/g。

所述单壁碳纳米管分散处理、纯化处理、敏化处理、活化处理时在溶液中的装载比为0.01~0.04w/v%，化学镀时在溶液中的装载比为0.01~0.03w/v%。

所述的分散处理是将SDBS与单壁碳纳米管加入到去离子水中，并在20~60℃的温度下，超声处理18~40min；所述SDBS的浓度为0.2~0.8w/v%；所述超声条件为：探针式超声频率15~55 kHz，功率20~100 W，每超声2~8s停2~8s；

所述的纯化处理是将分散处理后的单壁碳纳米管加入到6mol/L HNO₃中，在115~120℃回流0.5~10h，冷却，过滤清洗至中性；接着，将其加入到6 mol/L NaOH中，在115~120℃回流0.5~5h，冷却，过滤清洗至中性；然后，加入到6 mol/L HCl中，在115~120℃回流0.5~5h，冷却，过滤清洗至中性。