一种碳纳米纸纳米铜复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及复合材料及其制备方法技术领域，特别涉及一种导电导热碳纳米纸纳米铜复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着科学技术的发展，电子元件越来越受到人们的喜爱，但很多电子元件有易发热缺点，限制了电子元件的应用，为了解决电子元件易于发热的问题，既具有高导电导热性，又有良好的热辐射率，并且具有质轻、体积小以及成本低的散热片随之诞生。散热片由良好导电导热性和高辐射系数的散热材料制备得到。碳材料具有高的导热系数和高的辐射系数，散热材料由碳材料与具有优异导热导电性能的材料复合而成。
[0003]公开号为CN1896674A中国专利公开了以纳米碳管涂层提高金属散热片散热速度的方法，是在金属表面涂一层包含有纳米碳管的涂层，涂层中还包括导电胶；韩国专利KR20140118252A公开了一种散热涂料，包括导电碳黑、金属和碳纳米管，碳纳米管与炭黑通过树脂涂覆在金属表层。导电胶或者树脂的添加，能够有效地解决碳材料与金属材料的浸润性差的问题，保证碳材料与金属材料间良好粘合性。虽然，这种通过树脂或者导电胶黏合的技术方案能够克服金属与碳材料浸润性差的缺点，但是不可避免地会降低所制得的散热片的导热性能。
[0004]韩国专利KR20070074713A公开了采用单壁碳纳米管巴基纸作负极，用低电压还原醋酸铜，制备得到纳米管纳米铜散热材料，虽能够避免树脂或导电胶的使用，且操作简便，但却导致导热性相比铜差很多。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种碳纳米纸纳米铜复合材料及其制备方法，本发明提供的碳纳米纸纳米铜复合材料具有优异的导电导热性能。
[0006]本发明提供了一种碳纳米纸纳米铜复合材料，包括碳纳米纸、纳米铜层以及所述碳纳米纸和纳米铜层之间的金属薄膜，所述碳纳米纸的孔隙中掺杂有金属粒子。
[0007]优选的，所述纳米铜层厚度为20 μ m?30mm。
[0008]优选的，所述金属薄膜为金属铜膜或金属镍膜；
[0009]所述金属薄膜的厚度为5nm?10 μ m。
[0010]优选的，所述金属粒子为电导率为1.80X 106S/m?5.60X 107S/m的金属单质。
[0011]本发明提供了上述技术方案所述碳纳米纸纳米铜复合材料的制备方法，包括以下步骤:
[0012](I)以碳纳米纸作为过滤膜，将含有金属离子的溶液通过所述碳纳米纸进行过滤，用所述碳纳米纸吸附金属离子，再将孔隙中掺杂金属离子的碳纳米纸表面镀金属薄膜，所述镀膜过程中将所述碳纳米纸孔隙中掺杂的金属离子还原，得到镀有金属薄膜的碳纳米纸；
[0013](2)对所述镀有金属薄膜的碳纳米纸与纳米铜进行复合压制，得到碳纳米纸纳米铜前躯体；
[0014](3)对所述碳纳米纸纳米铜前驱体进行烧结，得到碳纳米纸纳米铜复合材料。
[0015]优选的，步骤(I)中所述的金属薄膜镀在碳纳米纸单面。
[0016]优选的，步骤⑴中所述的镀金属薄膜的镀膜时间为0.1s?1500s。
[0017]优选的，步骤(I)中所述含有金属离子的溶液为二价金属盐的溶液；
[0018]所述含有金属离子的溶液浓度为0.001mol/L?2mol/L0
[0019]优选的，步骤(I)中所述过滤时间为2min?15min。
[0020]优选的，步骤⑵中所述纳米铜由化学还原方法制备得到，具体为:
[0021]将络合剂和分散剂与含有铜离子的溶液混合，得到碱性铜离子溶液；
[0022]在通入N2和加热的条件下，将所述碱性铜离子溶液与碱性还原剂混合反应；
[0023]将所述反应的产物离心清洗至中性，干燥研磨，得到纳米铜。
[0024]本发明提供了一种碳纳米纸纳米铜复合材料，包括碳纳米纸、纳米铜层以及所述碳纳米纸和纳米铜层之间的金属薄膜，所述碳纳米纸的孔隙中掺杂有金属粒子。本发明利用碳纳米纸疏松多孔的结构，分散性良好，力学性能和电学性能优异的特性，金属单质存在于碳纳米纸孔隙中，碳纳米纸纳米铜层之间的金属薄膜确保碳纳米纸和纳米铜之间良好的接触性，所获得碳纳米纸纳米铜复合材料导电导热性优异。本申请实施例的实验结果也表明，本发明提供的碳纳米纸纳米铜复合材料导电导热性能优异，其中电导率可在
2.09X 106S/m?5.57X 107S/m范围内调控，热导率可在50ff/m.K?3000ff/m.K范围内调控，与相同体积的铜相比质量减轻量也可在20%?50%内调控。
【附图说明】
[0025]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0026]图1本发明实施例提供的碳纳米纸纳米铜复合材料的制备流程示意图
[0027]图2为本发明实施例1和实施例2提供的碳纤维合成的碳纳米纸的SEM形貌图
[0028]图3为本发明实施例1提供的纳米铜的TEM形貌及XRD表征
[0029]图4为本发明实施例2提供的碳纤维合成碳纳米纸上电镀的SEM图
[0030]图5为本发明实施例1中碳纳米纸纳米铜复合材料截面的SEM形貌及能谱分析(EDX)
【具体实施方式】
[0031]本发明提供了一种碳纳米纸纳米铜复合材料，包括碳纳米纸、纳米铜层以及所述碳纳米纸和纳米铜层之间的金属薄膜，所述碳纳米纸的孔隙中掺杂有金属粒子。
[0032]本发明提供的碳纳米纸纳米铜复合材料导电导热性能优异、质轻并且制备成本低。
[0033]本发明提供的碳纳米纸纳米铜复合材料包括碳纳米纸。所述碳纳米纸的体密度为0.lg/cm3?lg/cm3，孔径为1nm?20 μ m。本发明对所述碳纳米纸的来源没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的碳纳米纸即可；在本发明的实施例中，可以采用碳纳米纸的市售商品，也可采用本领域技术人员熟知的制备碳纳米纸的技术方案自行制备。在本发明的实施例中，所述碳纳米纸购于昆明纳太能源有限公司；当自行制备碳纳米纸时，所述碳纳米纸由碳纳米材料制备得到，其中所述碳纳米材料优选为碳纳米管、碳纤维、活性炭和石墨烯材料中的一种或几种。在本发明中，所述碳纳米纸呈纸状，具有疏松多孔结构，质量轻，导电、导热性能优异。
[0034]本发明中，所述碳纳米纸孔隙中掺杂有金属粒子。本发明中，所述金属粒子为电导率为1.80X 106S/m?5.60X 107S/m的金属单质，优选为铜或镍，所述金属单质颗粒小于碳纳米纸的孔径。本发明提供的碳纳米纸纳米铜复合材料包括纳米铜层，所述纳米铜层厚度优选为20 μπι?30mm，更优选为500 μπι?20mm。所述纳米铜层中的铜纳米粒子的平均粒径为5nm?12nm，优选为10nm。
[0035]本发明提供的碳纳米纸纳米铜复合材料包括金属薄膜，所述金属薄膜设置在纳米铜层和孔隙中掺杂有金属粒子的碳纳米纸之间，所述金属薄膜存在于所述碳纳米纸单面，所述金属薄膜优选为金属铜膜或金属镍膜。
[0036]本发明中，所述金属薄膜的厚度优选为5nm?10 μ m，更优选为50nm?I μ m ;在本申请的实施例中，所述金属薄膜的厚度可具体为50nm、8 μπι、0.5 μm、70nm、10nm或I μπι。金属薄膜保证碳纳米纸与纳米铜层的良好接触。
[0037]本发明提供了上述技术方案所述碳纳米纸纳米铜复合材料的制备方法，包括以下步骤:
[0038](I)以碳纳米纸作为过滤膜，将含有金属离子的溶液通过所述碳纳米纸进行过滤，用所述碳纳米纸吸附金属离子，再将孔隙中掺杂金属离子的碳纳米纸表面镀金属薄膜，所述镀膜过程中将所述碳纳米纸孔隙中掺杂的金属离子还原，得到镀有金属薄膜的碳纳米纸；
[0039](2)对所述镀有金属薄膜的碳纳米纸与纳米铜进行复合压制，得到碳纳米纸纳米铜前躯体；
[0040](3)对所述碳纳米纸纳米铜前驱体进行烧结，得到碳纳米纸纳米铜复合材料。
[0041]如图1本发