[发明专利]一种碳纳米管增强铜基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料的制备技术领域，涉及一种铜基复合材料，特别涉及一种碳纳米管增强铜基复合材料及其制备方法。

背景技术

碳纳米管自1991年被日本NEC公司的科学家Iijima发现以来，便以其独特的一维结构和独特的电学、光学、储氢等性能深受广大学者的关注。碳纳米管具有极高的机械强度、理想的弹性、低的热膨胀系数、尺寸小等优良的特性使其成了最具潜力的增强体材料。

碳纳米管在增强高分子复合材料方面取得了很快的发展，但在增强金属基复合材料方面还存在许多困难。这其中的主要困难在于碳纳米管像其它纳米材料一样具有很大的长径比、比表面积和比表面能，存在很大的范德华力，容易聚集缠结，很难在金属基体中均匀分散。另一方面，碳纳米管的表面活性较低，与金属基体的润湿性差，这造成了其与金属基体之间的界面结合较差。这些因素会严重影响金属基复合材料的密度，及其力学、电学、摩擦磨损等性能，尤其是电摩擦磨损性能。在金属复合材料领域中，铜基复合材料被广泛用作电子元件材料、滑动材料、触头材料、热交换材料等。因此，碳纳米管在增强铜基复合材料方面最受关注。

为解决以上问题，目前一些研究致力于先对碳纳米管进行改性镀铜或者镀镍，然后再采用粉末冶金法制备碳纳米管增强铜基复合材料。但是对碳纳米管进行改性镀铜或镀镍，工艺复杂，能耗大。也有一些研究致力于采用强酸或者混酸对碳纳米管进行预处理，但是这种处理方式对碳纳米管具有一定的破坏作用，会将碳纳米管剪切为极短的碳纳米管，破坏其长径比，且常需要较高温度和较长时间，同时处理时容易产生污染性的气体。

中国发明专利申请CN101619426A公开了采用机械球磨将碳纳米管断裂成所需要的碳纳米晶须，并对碳纳米管进行酸洗、烘干，然后与铜粉混合均匀，制备大块碳纳米晶须增强铜复合材料。但是该增强铜复合材料中，碳纳米管的长径比遭到破坏，而碳纳米管较大的长径比是增强基体性能的关键因素之一；同时预处理过程中产生了废酸。

发明专利申请201310578266.x公开了一种碳纳米管表面改性及分散方法，首先采用强碱和双氧水的混合溶液对碳纳米管的表面进行预处理，然后再用单宁酸对经预处理的碳纳米管进行改性处理，得到分散良好的碳纳米管。但是，接枝的单宁酸(C₇₆H₅₂O₄₆)由于结构较为复杂且分子量较大，使得碳纳米管表面引入了较多C、H、O杂质元素。同时该工艺过程要先采用强碱和双氧水进行预处理，工艺繁琐，且强碱、强氧化剂的使用存在一定的安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种碳纳米管增强铜基复合材料。该铜基复合材料由经表面改性的碳纳米管、石墨粉末、Ti₃SiC₂粉末和铜粉末组成；其中经表面改性的碳纳米管是将碳纳米管经没食子酸水溶液改性制成，分散性好，杂质含量低，且保持了完整的长径比。该铜基复合材料中各组分的性能产生共增强的作用，显著提高了铜基复合材料的电摩擦磨损性能以及强度和抗冲击性，降低了铜基复合材料的密度。

本发明的再一目的是提供所述铜基复合材料的制备方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明所述碳纳米管增强铜基复合材料，按重量百分比包括如下组分：经表面改性的碳纳米管1～9％、石墨粉末2～5％、Ti₃SiC₂粉末6～15％、余量为铜粉末；

所述经表面改性的碳纳米管是将碳纳米管采用没食子酸水溶液改性得到的碳纳米管。

没食子酸，又称倍酸、五倍子酸，其化学名为3,4,5-三羟基苯甲酸，化学式为C₆H₂(OH)₃COOH，化学结构式如式I所示，属于多酚类物质，亦属于有机酸。

没食子酸通过自身酚羟基与碳纳米管表面缺陷位点发生结合，从而对碳纳米管进行表面修饰，改善其分散性能，同时由于羧基及羟基等官能团的存在，还可在表面接枝更多官能团及生物功能大分子；另一方面，没食子酸也可以通过非化学作用吸附于碳纳米管表面。二者共同作用更有助于提高碳纳米管的分散性，且不会对碳纳米管发生剪切作用，造成化学损伤。反之，直接将未处理的碳纳米管和铜粉末制成铜基复合材料，基体中会出现因碳纳米管团聚而形成的孔隙，导致材料的综合性能降低，达不到很好的增强效果。