一种制备碳纳米管增强铜基复合材料的方法与流程

本发明属于金属基复合材料领域，特别涉及一种制备碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法。

背景技术：

碳纳米管增强铜基复合材料将铜的高电导率的电学性能和碳纳米管的高弹性模量，高强度，高耐磨的力学性能的优点集于一身，突破了铜金属因为自身强度不够而不能满足高耐磨，高抗拉强度的更苛刻的应用条件的限制，使其在高速列车弓形滑板，开关电触头材料，以及精密电路框架引线等高端电气电子领域具有广泛的应用前景。

目前碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法主要是采用粉末冶金的方法，具体过程是先通过不同的方法制得复合粉体，再将复合粉体采用真空热压、等离子烧结等固结方式烧结成型制得碳纳米管增强铜基复合块体材料。其中根据复合粉体的制备方法不同衍生出化学镀法、分子水平混合、原位合成法、搅拌摩擦法、高能球磨法等。byungk.lim通过化学镀等离子烧结得到15vol%的碳纳米管增强铜基复合材料，电导率72%iacs，抗拉强度341.2mpa。shukla.a.k将碳纳米管和铜粉高能球磨混合再热压烧结得到复合材料抗拉强度为330mpa。cha和kim采用分子水平混合法将表面功能化的碳管和醋酸铜混合-氢气还原得到复合粉体，再等离子烧结得到碳纳米管增强铜基复合材料，抗拉强度达到360mpa较纯铜提高了230%。专利cn201210095598.8“一种碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法”发明人蔡晓兰，该专利采用高能球磨法混料，退火-冷压-烧结成型技术方案制备的碳纳米管增强铜基复合材料，碳纳米管在基体中分散均匀，但是其成型工艺流程较长，所得到的复合材料导电性能提升有限。

目前围绕碳纳米管增强铜基复合材料主要存在的问题是碳纳米管与铜基体的界面结合性以及均匀分散性问题，另外采用传统的粉末冶金方法制备碳纳米管增强铜基复合材料流程繁琐复杂，因此开发出使碳管和基体分散均匀、界面结合良好并且生产流程简单的制备方法是推动纳米管增强铜基复合材料更广泛应用的关键。

技术实现要素：

本发明提供一种制备碳纳米管增强铜基复合材料的制备方法，该制备方法简单并且流程短，不仅能解决碳管在铜基体中分布均匀性和界面结合性问题，还能满足产业化连续批量生产的问题，制得抗拉强度和导电率均理想的高性能碳纳米管增强铜基复合材料，并且适合于产业化生产。

一种制备碳纳米管增强铜基复合材料的方法，具体包括以下步骤：

（1）将碳纳米管和铜粉按照质量比1:80-200的比例球磨均匀后，装入铜管中夯实并两端封口；

（2）将步骤（1）的铜管送入带有高频感应线圈的旋锻机内进行旋锻成型，经过多道次不同直径旋锻模具的旋锻成型，得到棒状碳纳米管增强铜基复合材料。

步骤（1）所述球磨转速为500-700r/min，球磨时间为60min。

步骤（2）所述铜管送入速度为10-50cm/min。

步骤（2）所述高频感应线圈的加热温度为550-750℃。

步骤（2）所述旋锻成型的变形道次为2-10次。

步骤（2）所述高频感应线圈设置在旋锻机内旋锻道的外部。

本发明的有益效果：

（1）高频感应线圈的加热和旋锻结合，旋锻变形中小变形区多次锻打产生的三向压应力变形，最终实现非常大的变形量，利于碳纳米管在铜基体内均匀分散以及与铜基体之间的界面结合，增加碳纳米管和铜基体的结合强度，细化晶粒，改善碳纳米管方向性使其轴向排布，利于提高复合材料的致密度、抗拉强度以及电导率，再加上旋锻本身对复合材料的加工硬化作用，得到的碳纳米管增强复合材料的力学性能和导电性能稳定。

（2）本方法流程短，工艺简单，利于产业化连续生产，而且旋锻复合材料时材料本身会产生热量，使得外加的成型温度可以降低，整个成型过程所需时间短，节约了能耗，无气体和固体废弃物产生从而实现了绿色生产的目标。

附图说明

图1为本发明旋锻感应加热成型装置部分结构示意图；

图2为本发明实施例1旋锻感应加热制备的棒状碳纳米管增强铜基复合材料；

图3为本发明实施例3的复合材料碳纳米管和铜基体的界面结合的tem形貌；

图4为本发明实施例3和对比例复合材料的金相sem形貌：（a）对比例的金相sem形貌；（b）实施例3的金相sem形貌；

图5为本发明实施例3的复合材料断口形貌：（a）实施例3的2000断口形貌；（b）实施例3的8000倍断口形貌；

图6为本发明对比例的复合材料断口形貌：（a）对比例的2000断口形貌；（b）对比例的8000倍断口形貌；

图中，1-铜管，2-高频感应线圈温度控制器，3-高频感应线圈，4-旋锻模具，5-旋锻机。

具体实施方式

根据以下实例，可以进一步理解本发明，但是，本领域的技术人员很容易理解实施例中所述的具体配方、配比、工艺参数、条件及结果仅用于说明本发明，而不应该会限制权利要求书中所详述的本发明。

实施例1

本实施例一种制备碳纳米管增强铜基复合材料的方法，具体包括以下步骤：

（1）把2.5g碳纳米管和497.25g的600目铜粉加入高能球磨机中，以500r/min交变转速球磨60min得到混合均匀的碳纳米管增强铜基复合粉体，将复合粉体装入壁厚为0.5mm、外径10mm、长度为0.3m的铜管中夯实并两端封口；

（2）将步骤（1）的铜管10cm/min的速度送入内部带有高频感应线圈的旋锻机内进行旋锻成型，如图1所示，高频感应线圈设置在旋锻机内旋锻道的外部，高频感应线圈的加热温度为550℃，依次按照直径8mm、6mm的模具进行2道次不同直径旋锻模具的旋锻成型，得到减径量为40%即直径为6mm左右长度0.55米的棒状碳纳米管增强铜基复合材料，如图2所示。

实施例2

本实施例一种制备碳纳米管增强铜基复合材料的方法，具体包括以下步骤：

（1）把20g碳纳米管和2980g的600目铜粉加入高能球磨机中，以600r/min交变转速球磨60min得到混合均匀的碳纳米管增强铜基复合粉体，将复合粉体装入壁厚为5.0mm、外径60mm、长度为2m的铜管中夯实并两端封口；

（2）将步骤（1）的铜管以50cm/min的速度送入内部带有高频感应线圈的旋锻机内进行旋锻成型，高频感应线圈设置在旋锻机内旋锻道的外部，高频感应线圈的加热温度为750℃，依次按照直径54mm、48mm、42mm、36mm、30mm、24mm、18mm、16mm、14mm、12mm的模具进行10道次不同直径旋锻模具的旋锻成型，得到变形量为80%即直径为12mm左右长度3.1米的棒状碳纳米管增强铜基复合材料。

实施例3

本实施例一种制备碳纳米管增强铜基复合材料的方法，具体包括以下步骤：

（1）把12.04g碳纳米管和987.96g的600目铜粉加入高能球磨机中，以700r/min交变转速球磨60min得到混合均匀的碳纳米管增强铜基复合粉体，将复合粉体装入壁厚为1.0mm、外径20mm、长度为1m的铜管中夯实并两端封口；

（2）将步骤（1）的铜管以30cm/min的速度送入内部带有高频感应线圈的旋锻机内进行旋锻成型，高频感应线圈设置在旋锻机内旋锻道的外部，高频感应线圈的加热温度为650℃，依次按照直径18mm、16mm、14mm、12mm、10mm的模具进行5道次不同直径旋锻模具的旋锻成型，得到变形量为50%即直径为10mm左右长度2.5米的棒状碳纳米管增强铜基复合材料；图3为实施例3的碳纳米管增强铜基复合材料的tem形貌图，从图中可以看出，碳管在铜基体中被紧密包围，且中间过渡区无明显界线，说明碳纳米管和铜基体的界面结合好。

对比例

本实施例一种制备碳纳米管增强铜基复合材料的方法，具体包括以下步骤：

（1）把12.04g碳纳米管和987.96g的600目铜粉加入高能球磨机中，以700r/min交变转速球磨60min得到混合均匀的碳纳米管增强铜基复合粉体。

（2）将复合粉体经过传统的真空热压烧结，烧结温度850℃，烧结压力70mpa，保压1h得到碳纳米管增强铜基复合材料。

图4为实施例3和对比例所得复合材料的金相sem形貌对比，从图中可以看出，本实施例得到的碳纳米管增强铜基复合材料的平均晶粒尺寸约为10μm以下，这要比对比例复合材料的晶粒尺寸（约20μm以上）小很多，说明实施例3的工艺对于细化复合材料的晶粒获得有益效果；图5为实施例3的复合材料断口形貌，图6为对比例中的复合材料放大同样倍数的断口形貌，从断口形貌的对比上可以明显看出，实施例3的断口形貌呈现典型的韧性断裂形貌，碳纳米管沿轴向排布，对比例呈现了脆性解理断裂的断口形貌，很好的说明了实施例3的工艺改善了碳纳米管方向性使其轴向排布。

将对比例得到的复合材料表面打磨平整光滑，实施例1-3得到的复合材料采用同样的工艺将外部铜管打磨干净，采用真密度仪测定其致密度，电子万能试验机0.5mm/min速度测定其抗拉伸强度，涡流导电仪测定其电导率，具体检测数据见下表1。

表1为对比例和实施例制备的复合材料致密度、抗拉强度、电导率的实验数据。

由表1可知，实施例1-3得到的碳纳米管增强铜基复合材料的致密度、抗拉强度、电导率均要比对比例中采用传统的真空热压成型的碳纳米管增强铜基复合材料的致密度好、抗拉强度提高、电导率提高，这很好的说明了本发明所述方法能显著提高碳纳米管增强铜基复合材料致密度、抗拉强度、电导率。