本发明涉及一种焊接制备碳纳米管增强金属基复合材料的方法，属于金属基复合材料领域。
背景技术：
铜具有较高的电导率，优良的导热性能，以及较好加工延展性被广泛应用于电气电子领域。随着科技的不断进步，对于传统的添加第三相金属作为提高铜的性能的方法所生产的铜合金材料远远不能满足社会对于高性能材料的需求。由于铜添加合金元素导致材料导热，导电特性的大幅下降，所以在保证铜的良好导热，导电物理性能的同时提高材料的耐磨，抗拉强度的力学性能方面的探索显得尤为重要。为了制备高性能的碳纳米增强铜基复合材料，国内外的研究人员做了大量的研究。主要围绕着碳纳米管在基体中均匀分散，杂质尽可能地少，同时保持碳纳米管结构完整性，基体与碳纳米管界面结合良好，保证复合材料的电导率在90%以上的方向进行研究。
碳纳米管增强铜基复合材料传统制备方法的不足之处在于：（1）碳纳米管如何有效分散在金属基体中对于提高复合材料的性能十分重要，传统的碳纳米管制造方法通常采用的是机械搅拌和超声空化的方法进行分散，然而该方法的碳纳米管在粘度极大的金属液体中分散效果并不理想；（2）传统的制备方法涉及到高温，如铸造法和粉末冶金法，高温下碳纳米管会与金属基体间发生怎么样的反应，目前还不知道，反应物是否会影响复合材料的性能也不明确；（3）搅拌摩擦焊方法制备碳纳米管增强铜基复合材料最大的缺点是碳纳米管无法均匀的分布在金属基体中，即使团聚在一起形成颗粒状，但尺寸和均匀分散程度都不够，势必造成材料性能的不均匀性；（4）用化学气相沉积原位合成法制备碳纳米管增强铜基复合材料，目前虽然得到了比较好的分散效果，但需要ni作为催化剂并且制备过程比较复杂，耗时长。
技术实现要素：
本发明主要解决的技术问题是：针对现有碳纳米管在金属基体中分散不均匀，由于碳纳米管本身具有较大的长径比，比表面积大导致碳纳米管容易团聚，加入金属基体材料中，基体界面结合差的缺陷，提供了一种焊接制备碳纳米管增强金属基复合材料的方法，本发明先取碳纳米管放入混合酸中纯化，将纯化后的碳纳米管加入无水乙醇中超声分散，得碳纳米管悬浮液，向悬浮液中依次加入改性和表面活性剂，超声分散后放入冰箱中静置，离心分离得改性碳纳米管，取铜板为基材，抛光后进行激光处理，得激光处理后的铜板基材，将改性碳纳米管焊接在铜板基材上，即可得到碳纳米管增强金属基复合材料，本发明分别对碳纳米管和基材进行改性和处理，使得碳纳米管均匀的分散在基材表面，使用焊接工艺，使碳纳米管能够较好地嵌入于铜板基体材料中，并且与基体界面结合良好，碳纳米管对铜基复合材料具有较好的增强效果，可以提高复合材料的力学性能。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
（1）称取4～6g碳纳米管，按质量比1:5将碳纳米管加入混合酸中，搅拌混合3～5h后抽滤，得滤渣后用去离子水洗涤2～4次，洗涤后的滤渣放入烘箱中，在60～80℃温度下干燥4～5h，得纯化碳纳米管；所述的混合酸是按质量比2:1由质量分数65%硝酸和质量分数98%硫酸溶液混合；
（2）称取3～5g上述纯化碳纳米管加入到150～170ml无水乙醇，超声分散10～15min，得碳纳米管悬浮液，向碳纳米管悬浮液中依次加入1～3g十六烷基三甲基溴化铵和2～4g十六烷基苯磺酸钠，继续超声分散10～15min，将分散后的混合液置于冰箱中，在-10～-5℃温度下静置5～7h，静置后取出，再置于烘箱中，在100～120℃条件下静置4～6h，静置后混合液加入离心机中离心分离，得沉淀物，放入烘箱中，在40～50℃温度下干燥8～10h，干燥后得改性碳纳米管，备用；
（3）取铜板为基材基材置于抛光机中抛光至铜板基材表面的粗糙度为1.2～1.5μm，将抛光后铜板基材移入c02激光器中，在激光功率为1500～2000w，光斑尺寸为20mm×1mm，扫描速度为120～140mm/min的条件下进行激光处理200～250ms，激光处理后即可得到表面激光处理后的铜板基材；
（4）将步骤（2）备用的改性碳纳米管超声焊接在上述表面处理后的铜板基材表面，在频率为25～30khz、振幅为30～40μm、焊接压力为18～20mpa的条件下，焊接150～200ms，焊接后放入管式炉中，以5～7℃的升温速率升温至650～750℃，保温烧结2～3h，烧结后冷却至室温即可得到备碳纳米管增强金属基复合材料。
本发明的应用方法：本发明制备得到的碳纳米管增强金属基复合材料可以广泛在航空航天、汽车的各类零部件，本发明制备得复合材料的硬度为58.5～60.2hv，比原来的铜板基材的硬度了50～70%，最大剥离力为185.267～210.314n，剥离力比原来的铜板基材平均提高了32～40%，拉伸强度达到354～400mpa。
本发明的有益效果是：
（1）本发明分别对碳纳米管和基材进行改性和处理，使得碳纳米管均匀的分散
在基材表面，不发生团聚；
（2）本发明使用焊接工艺，使碳纳米管能够较好地嵌入于铜板基体材料中，并
且与基体界面结合良好，碳纳米管对铜基复合材料具有较好的增强效果，可以提高复合材料的力学性能。
具体实施方式
称取4～6g碳纳米管，按质量比1:5将碳纳米管加入混合酸中，搅拌混合3～5h后抽滤，得滤渣后用去离子水洗涤2～4次，洗涤后的滤渣放入烘箱中，在60～80℃温度下干燥4～5h，得纯化碳纳米管；所述的混合酸是按质量比2:1由质量分数65%硝酸和质量分数98%硫酸溶液混合；称取3～5g上述纯化碳纳米管加入到150～170ml无水乙醇，超声分散10～15min，得碳纳米管悬浮液，向碳纳米管悬浮液中依次加入1～3g十六烷基三甲基溴化铵和2～4g十六烷基苯磺酸钠，继续超声分散10～15min，将分散后的混合液置于冰箱中，在-10～-5℃温度下静置5～7h，静置后取出，再置于烘箱中，在100～120℃条件下静置4～6h，静置后混合液加入离心机中离心分离，得沉淀物，放入烘箱中，在40～50℃温度下干燥8～10h，干燥后得改性碳纳米管，备用；取铜板为基材基材置于抛光机中抛光至铜板基材表面的粗糙度为1.2～1.5μm，将抛光后铜板基材移入c02激光器中，在激光功率为1500～2000w，光斑尺寸为20mm×1mm，扫描速度为120～140mm/min的条件下进行激光处理200～250ms，激光处理后即可得到表面激光处理后的铜板基材；将备用的改性碳纳米管超声焊接在上述表面处理后的铜板基材表面，在频率为25～30khz、振幅为30～40μm、焊接压力为18～20mpa的条件下，焊接150～200ms，焊接后放入管式炉中，以5～7℃的升温速率升温至650～750℃，保温烧结2～3h，烧结后冷却至室温即可得到备碳纳米管增强金属基复合材料。
实例1
称取4g碳纳米管，按质量比1:5将碳纳米管加入混合酸中，搅拌混合3h后抽滤，得滤渣后用去离子水洗涤2次，洗涤后的滤渣放入烘箱中，在60℃温度下干燥4h，得纯化碳纳米管；所述的混合酸是按质量比2:1由质量分数65%硝酸和质量分数98%硫酸溶液混合；称取3g上述纯化碳纳米管加入到150ml无水乙醇，超声分散10min，得碳纳米管悬浮液，向碳纳米管悬浮液中依次加入1g十六烷基三甲基溴化铵和2g十六烷基苯磺酸钠，继续超声分散10min，将分散后的混合液置于冰箱中，在-10℃温度下静置5h，静置后取出，再置于烘箱中，在100℃条件下静置4h，静置后混合液加入离心机中离心分离，得沉淀物，放入烘箱中，在40℃温度下干燥8h，干燥后得改性碳纳米管，备用；取铜板为基材基材置于抛光机中抛光至铜板基材表面的粗糙度为1.2μm，将抛光后铜板基材移入c02激光器中，在激光功率为1500w，光斑尺寸为20mm×1mm，扫描速度为120mm/min的条件下进行激光处理200ms，激光处理后即可得到表面激光处理后的铜板基材；将备用的改性碳纳米管超声焊接在上述表面处理后的铜板基材表面，在频率为25khz、振幅为30μm、焊接压力为18mpa的条件下，焊接150ms，焊接后放入管式炉中，以5℃的升温速率升温至650℃，保温烧结2h，烧结后冷却至室温即可得到备碳纳米管增强金属基复合材料。
本发明制备得到的碳纳米管增强金属基复合材料可以广泛在航空航天、汽车的各类零部件，本发明制备得复合材料的硬度为58.5hv，比原来的铜板基材的硬度了50%，最大剥离力为185.267n，剥离力比原来的铜板基材平均提高了32%，拉伸强度达到354mpa。
实例2
称取5g碳纳米管，按质量比1:5将碳纳米管加入混合酸中，搅拌混合4h后抽滤，得滤渣后用去离子水洗涤3次，洗涤后的滤渣放入烘箱中，在70℃温度下干燥4.5h，得纯化碳纳米管；所述的混合酸是按质量比2:1由质量分数65%硝酸和质量分数98%硫酸溶液混合；称取4g上述纯化碳纳米管加入到160ml无水乙醇，超声分散13min，得碳纳米管悬浮液，向碳纳米管悬浮液中依次加入2g十六烷基三甲基溴化铵和3g十六烷基苯磺酸钠，继续超声分散13min，将分散后的混合液置于冰箱中，在-8℃温度下静置6h，静置后取出，再置于烘箱中，在110℃条件下静置5h，静置后混合液加入离心机中离心分离，得沉淀物，放入烘箱中，在45℃温度下干燥9h，干燥后得改性碳纳米管，备用；取铜板为基材基材置于抛光机中抛光至铜板基材表面的粗糙度为1.3μm，将抛光后铜板基材移入c02激光器中，在激光功率为1700w，光斑尺寸为20mm×1mm，扫描速度为130mm/min的条件下进行激光处理225ms，激光处理后即可得到表面激光处理后的铜板基材；将备用的改性碳纳米管超声焊接在上述表面处理后的铜板基材表面，在频率为27khz、振幅为38μm、焊接压力为19mpa的条件下，焊接170ms，焊接后放入管式炉中，以6℃的升温速率升温至700℃，保温烧结2.5h，烧结后冷却至室温即可得到备碳纳米管增强金属基复合材料。
本发明制备得到的碳纳米管增强金属基复合材料可以广泛在航空航天、汽车的各类零部件，本发明制备得复合材料的硬度为59.2hv，比原来的铜板基材的硬度了60%，最大剥离力为195.512n，剥离力比原来的铜板基材平均提高了38%，拉伸强度达到378mpa。
实例3
称取6g碳纳米管，按质量比1:5将碳纳米管加入混合酸中，搅拌混合5h后抽滤，得滤渣后用去离子水洗涤4次，洗涤后的滤渣放入烘箱中，在80℃温度下干燥5h，得纯化碳纳米管；所述的混合酸是按质量比2:1由质量分数65%硝酸和质量分数98%硫酸溶液混合；称取5g上述纯化碳纳米管加入到170ml无水乙醇，超声分散15min，得碳纳米管悬浮液，向碳纳米管悬浮液中依次加入3g十六烷基三甲基溴化铵和4g十六烷基苯磺酸钠，继续超声分散15min，将分散后的混合液置于冰箱中，在-5℃温度下静置7h，静置后取出，再置于烘箱中，在120℃条件下静置6h，静置后混合液加入离心机中离心分离，得沉淀物，放入烘箱中，在50℃温度下干燥10h，干燥后得改性碳纳米管，备用；取铜板为基材基材置于抛光机中抛光至铜板基材表面的粗糙度为1.5μm，将抛光后铜板基材移入c02激光器中，在激光功率为2000w，光斑尺寸为20mm×1mm，扫描速度为140mm/min的条件下进行激光处理250ms，激光处理后即可得到表面激光处理后的铜板基材；将备用的改性碳纳米管超声焊接在上述表面处理后的铜板基材表面，在频率为30khz、振幅为40μm、焊接压力为20mpa的条件下，焊接200ms，焊接后放入管式炉中，以7℃的升温速率升温至750℃，保温烧结3h，烧结后冷却至室温即可得到备碳纳米管增强金属基复合材料。
本发明制备得到的碳纳米管增强金属基复合材料可以广泛在航空航天、汽车的各类零部件，本发明制备得复合材料的硬度为60.2hv，比原来的铜板基材的硬度了70%，最大剥离力为210.314n，剥离力比原来的铜板基材平均提高了40%，拉伸强度达到400mpa。