[发明专利]一种高强高导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及其制备的技术领域，具体涉及一种兼备优良的力学性能和传导性能的单壁碳纳米管增强铜基复合材料及其制备方法。

背景技术

在电力、电工电子、微波、航空航天、汽车等领域，很多零件如受电弓滑板、集成电路引线框架、继电器支座、微波管栅网、电阻点焊电极等要求所用材料的强度和硬度高，抗高温软化性能强，同时还要兼具高的电导率和热导率。这类高强高导材料的硬度一般在160～180HV以上，相对电导率在80％IACS以上。

虽然纯铜及铜合金的导热性、导电性良好，但室温及高温强度和硬度较低，耐磨性比较差，软化温度也低。当铜合金长时间处于1/3-1/2熔点温度下时，其强度、导电性和导热性通常会急剧恶化。如何在电导率和热导率不损失或损失不多的原则下，使纯铜或铜合金的力学性能及抗高温软化能力提高，是目前铜合金材料领域的研究热点和产业化的方向。

因此，亟需开发一种兼备优良的力学性能和传导性能的新型铜基复合材料。

单壁碳纳米管具有近乎完美的键合结构，理论和实验都证明了它在多方面的优异性能。根据石墨的导热系数估算出的碳纳米管轴向导热系数可高达3000～6600W/mK，是纯铜材料导热系数的十倍；单壁碳纳米管具有优良的导电性，如在n＝m(n,m表示碳纳米管上原子排列方向的两个基矢量)的方向，其电导率可达铜的1万倍；同时，碳纳米管还具有极高的长径比(≥1:10³)，可通过加工手段控制其在基体中的分布与定向排列，使其有选择性地在特定方向上具有优异的力学性能、导热性、导电性等。此外，碳纳米管热稳定性好，在空气中温度973K以下基本无变化，在高温下力学性能、电学性能优异；单壁碳纳米管的杨氏模量理论可高5TPa，抗拉强度高达13～53GPa；碳纳米管复合材料还具有优异的耐磨性能，以及低的热膨胀系数(约为铜的一半)。这些都使碳纳米管成为理想的、可同时明显改善基体力学性能、导热性及导电性，减少摩擦系数及热膨胀系数的增强材料。

近年来，关于碳纳米管增强复合材料的报道激增，但多集中于聚合物基复合材料，而在铜基复合材料中的研究和实际应用，大多致力于提高力学性能。兼顾优良的力学性能和传导性能，制备综合性能优异的碳纳米管增强铜基复合材料的成功例子极少。

中国发明专利“气相沉积原位反应制备碳纳米管增强铜基复合材料的方法”(CN 200610014783.4)公开了一种高强高导碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法。该方法在反应炉中进行Ni/Y/Cu催化剂前驱体的催化裂解反应，在铜粉基体上原位生长碳纳米管，将得到的碳纳米管/Cu复合粉末进行初压、烧结和复压，得到碳纳米管均匀分散的铜基复合材料。但该专利采用粉末冶金的方法，无法获得满密度复合材料，大量存在的小孔隙使复合材料的连续性中断，影响其载荷、电、热的传导。

中国发明专利“以镀铜碳纳米管增强受电弓滑板材料及其制备方法”(CN 201110004880.6)公开了一种镀铜碳纳米管增强受电弓滑板材料的制备方法。该方法将Cu、CNTs、Ti₃SiC₂和TiB₂四种原料混匀后，冷压、烧结、复压和二次烧结，极大改善了受电弓滑板材料的性能，该专利同样采用的是粉末冶金方法，仍然无法获得满密度复合材料，影响其载荷、电、热的传导。

中国发明专利“碳纳米管-金属复合增强铜基复合材料及其制备方法”(CN 201410204775.0)公开了一种碳纳米管在0.1～2wt％的碳纳米管-金属复合增强铜基复合材料的制备方法。将含可溶性金属盐和铜盐、碳纳米管的溶胶喷雾造粒得到纳米粉末，煅烧、还原、等静压成型和烧结，虽然得到了综合性能优异的铜基复合材料，但该专利同样采用的是粉末冶金方法，仍然无法获得满密度复合材料，影响其载荷、电、热的传导。