[发明专利]一种具有高导电率的铜基复合材料的制备方法

说明书

本发明公开一种具有高导电率的铜基复合材料的制备方法；将碳纳米材料均匀地分散在硫酸铜溶液中，在镀液中加入硫酸调节pH值，将配制好的溶液用磁力搅拌器将其充分混合；以金属板为阳极另一种金属板为阴极，对复合溶液通入电流，使碳纳米管和铜离子共同沉积到阴极基板上；电镀结束后，将复合薄膜从电极上取下，经干燥处理后使用管式炉在氮氢气氛下对复合薄膜进行还原，经过还原处理后，将复合薄膜叠加到一定厚度，放入石墨模具中，采用适宜的烧结工艺对复合薄膜进行烧结，得到致密的碳纳米管铜基复合材料。复合共沉积过程中碳纳米管是在二维内分布，主要填充空隙，使复合材料获得与纯铜相当的导电率与延伸率。

技术领域

本发明涉及一种具有高导电率的铜基复合材料的制备方法，属于复合材料制备领域。

背景技术

作为典型的一维纳米材料，碳纳米管具有独特的结构和优异的电学性能以及适宜的力学性能。在导电性能方面，平均自由程和电子态密度共同决定了材料的导电性，碳纳米管较大的平均自由程和铜基体较高的电子密度这两种特性相结合，可实现复合材料在导电应用方面的突破。碳纳米管的电导率在轴向(纵向)上最大，所以碳纳米管在基体中的排列可以影响复合材料的电导率。低温下，由于碳纳米管的结构中没有散射中心，它对电子的运动几乎没有抵抗力。碳纳米管的这种理想传输过程，即所谓的弹道传输，是由碳的无缺陷六方结构实现的，避免了晶界和杂质等散射中心的存在。

碳纳米管具有优异的导电性，但复合结构的导电性的降低是由于纳米管的高的比表面积，产生了更大的增强体与基体的界面区域；在某些情况下，界面在电子转移过程中导致散射，复合材料的导电性受到阻碍，导致电阻率增加；碳纳米管的存在还会导致金属基体中的晶格应变，从而降低基体的导电性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高导电率的铜基复合材料的制备方法，所得铜基复合材料中碳纳米管分散均匀、结构完整、与铜基体间具有良好电学接触界面，具体包括以下步骤：

（1）镀层的制备：将碳纳米管均匀地分散在硫酸铜溶液中，在镀液中加入H₂SO₄调节pH值，以金属板为阳极另一种金属板为阴极，通过对复合溶液中通入电流，使碳纳米管和铜离子共同沉积到阴极基板上；在电镀过程中，对镀液进行机械搅拌，保持溶液的分散性；电沉积结束，放入干燥箱内干燥后取出，将镀层从阴极极板上取下。

（2）镀层的还原：在氮氢混合气氛下对镀层进行加热，在还原的同时消除内应力；还原结束后，观察到镀层表面为金属纯铜颜色，表面没有明显的孔洞；

（3）镀层的烧结：采用放电等离子烧结工艺对镀层进行烧结得到致密的块体，烧结结束后对样品进行打磨。

优选的，本发明步骤（1）中阳极用磷铜合金，阴极为钛板，其他满足条件的铜及铜合金或者阴极也可以用于本发明。

本发明中硫酸铜和碳纳米管的加入量根据实际需要的材料来确定，优选的，本发明步骤（1）中硫酸铜溶液的浓度为0.64mol/L，碳纳米管的加入量为10~20g/L。

优选的，本发明步骤（1）中电镀过程的电流密度为0.5A•dm^-2～4A•dm^-2，电沉积时间为5~10h，pH值为1~7。

优选的，本发明步骤（2）中还原温度为100~350℃，还原时间1~6h。

优选的，本发明步骤（3）中放电等离子烧结的条件为：烧结温度为500~800℃，烧结气压为10~50MPa烧结工艺处理10~120分钟。