[發明專利]一種制備碳納米管定向排布的銅基復合材料的方法

有效

• 申請號: 201811340945.2
• 申請日: 2018-11-12
• 公開（公告）號: CN109321775B
• 公開（公告）日: 2020-06-26
• 發明（設計）人: 任淑彬;張公楨;肖承龍;何新波;曲選輝
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C22C9/00
• 分類號: C22C9/00;C22C1/04;C22C1/10;B22F3/14
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

一種制備碳納米管定向排布的銅基復合材料的方法，屬于銅基復合材料領域。本發明通過將碳納米管均勻分散于水中形成碳納米管分散液，同時應用銅絲來制備銅基碳納米管復合材料，將銅絲放入碳納米管分散液中，銅的比重大會沉入碳納米管分散液底部，利用液體自身的流動性配合超聲振動使得碳納米管分散液完全包裹住銅絲，再經過干燥得到混合好的銅基碳納米管原材料，最終經熱壓燒結制得銅基碳納米管復合材料。采用該工藝碳納米管在銅基體中沿著銅絲軸向呈定向排列，壓縮、抗彎強度較純銅均提高了50％以上，導熱導電性能與純銅相比沒有下降。

技術領域

一種制備碳納米管定向排布的銅基復合材料的方法，屬于銅基復合材料領域。

背景技術

隨著我國及世界各國利用太空的廣度和深度逐漸提高，對航天器的應用需求不斷提高。航天器的體積也在不斷增大，由此帶來對于機體散熱的能力要求也在提高。目前來說，航天器大部分由金屬制造，這其中因金屬銅的導熱導電性能好，同時與銀相比有著更低的價格成本，常被應用在導熱模塊方面。但導熱模塊多為互相拼接，由電磁力等相互擠壓在一起，對純銅來說，其壓縮和抗彎能力不足以達到要求，需要通過復合其他材料來提高其壓縮和抗彎能力，同時又不能損失其良好的導電導熱能力。碳納米管具有良好的導電導熱性能，理論計算表明，無缺陷的金屬性碳納米管的軸向導電性僅次于超導體。單根單壁碳納米管在室溫下的熱導率高于6000W/(m·K)，而單根多壁碳納米管在室溫下的熱導率通常也高于 3000W/(m·K)。無論是導電性還是導熱性，碳納米管在理論上都遠遠高于銅，因此理論上分析，在銅基體內摻雜少量的碳納米管，其導熱導電性會得到大幅度的提高。同時銅基體中加入碳納米管后，碳納米管起到彌散強化的作用，也有利于提高銅的力學性能。但是碳納米管良好的導電導熱都是一維方向的，其自身雜亂無規則分布、大量管間相互纏繞團聚會很大程度抑制碳納米管優異特性的發揮，因此對碳納米管進行取向排列是目前研究者們研究的一個重點。但從目前報道的性能看，除了使用已經定向排布好的陣列碳納米管外，不管采用何種方法取向，在銅中加入碳納米管后，力學性能雖然得到了提高，但是導熱導電性能都有明顯的下降。制備銅基碳納米管復合材料時，由于碳納米管本身大量的互相纏繞團聚，其自身沿著軸向的高導熱高導電等優良性質在宏觀上反映不出來，同時在銅基體內部其方向性難以一致。因此加入碳納米管后，復合材料的導熱導電性能相比純銅來說反而大大下降。陣列碳納米管雖然性能較好，但是制備價格過高，不適宜進行大規模制備。

發明內容

本發明目的是為了提供一種簡便的碳納米管銅基復合材料的制備方法，在保證導熱導電性能的前提下，提高復合材料的壓縮、抗彎強度。

一種制備碳納米管定向排布的銅基復合材料的方法，其特征在于先將碳納米管均勻分散于水中配置碳納米管水分散液，碳納米管水分散液的質量百分比為 2-5％；然后將設定量的成束銅絲放入碳納米管分散液中，銅絲比重大會逐漸沉入到分散液底部，利用液體自身的流動性配合超聲振動使得碳納米管分散液完全包裹住銅絲，再經過干燥得到混合好的銅基碳納米管原材料，然后熱壓燒結得到碳納米管沿著銅絲軸向定向排列的銅基復合材料。

如上所述一種制備碳納米管定向排布的銅基復合材料的方法，其特征在于具體制備步驟如下：

1)在碳納米管水分散液加入碳納米管質量20％-30％的十二烷基磺酸鈉等非離子表面活性劑，然后使用細胞破壁機進行超聲處理；

2)將分散好的碳納米管分散液倒入一定體積的方形坩堝中，將坩堝放入超聲波清洗器中超聲，然后將一定長度，方向一致且不互相纏繞的成束20-30μm 銅絲放入坩堝中，銅絲在自身重力和超聲振動下沉入分散液中，碳納米管分散液會均勻填充在銅絲之間的間隙中并均勻包裹每一根銅絲，填入銅絲與分散液的質量比為2：1；

3)將填充銅絲的分散液置于普通干燥箱中在40℃下干燥12小時去除水分，再放入真空干燥箱中充分進行干燥，干燥溫度30-35℃，干燥時間12-15小時，最后將干燥好的銅絲和碳納米管混合原材料進行熱壓燒結得到碳納米管定向排布的銅基復合材料。