一种构建离域共轭π键的碳纳米管/铜复合导热材料的制备方法

一种构建离域共轭
π
键的碳纳米管/铜复合导热材料的制备方法
技术领域
1.本发明涉及铜合金表面预处理及导热复合材料的制备技术领域，具体是一种构建离域共轭π键的碳纳米管/铜复合导热材料的制备方法。


背景技术：

2.随着电子器件向微型化、高功率、高集成化方向的快速发展，高效散热对于保持高性能运行、延长设备寿命至关重要，因此迫切需要开发高导热材料。铜及其合金具有良好的导电性、导热性和延展性，通常可用作导热材料，与其它市售材料相比具有成本效益，但它被认为是一种低强度材料，可以通过选择合适的增强材料来改善。
3.碳纳米管及其独特的纳米管结构引起了人们的兴趣，碳纳米管是纳米范围的智能空心管状碳结构，具有极高的热导率，因此有可能是开发用于空调散热片、计算机散热器、冷却塔和模块散热组件的最有效填料。大量的论文报道了在聚合物或陶瓷中加入碳纳米管可以改善复合材料的热导率，但是，碳纳米管对金属复合材料提升热导率的研究迄今为止仍然是一个挑战，主要是由于碳纳米管在金属相中难以均匀分布以及在cnt
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基体界面处可能发生声子散射。因此，通过在铜合金表面电镀铜负载碳纳米管制备导热材料以提高导热系数，降低碳纳米管与铜合金的界面热阻是一种行之有效的解决电子产品的散热难题的方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种构建离域共轭π键的碳纳米管/铜复合导热材料的制备方法。这种方法对设备要求不高、操作方便，所制备的复合材料导热能力强。
5.实现本发明目的的技术方案是：一种构建离域共轭π键的碳纳米管/铜复合导热材料的制备方法，包括如下步骤：1）将h96黄铜原材料切割成厚度为0.1
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6 mm、直径为10
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25.4 mm的圆形状或直径为8
×
8或10
×
10 mm的立方体状基体，基体表面首先用300
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1200目砂纸磨砂抛光，然后用去离子水清洗，接着在空气中晾干；2）晾干后的基体分别在丙酮和乙醇中超声处理5
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20 min，用去离子水清洗；3）将步骤2）用去离子水清洗后的基体在50
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60℃的自制除油液中浸泡1
‑
10 min，再用去离子水清洗，其中，自制除油液为：碳酸钠25
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60 g/l、磷酸三钠20
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40 g/l、氢氧化钠30
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50 g/l与op
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10 0.5
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1 g/l的混合液；4）将步骤3）用去离子水清洗后的基体在抛光液中抛光5
‑
30 s，再用去离子水清洗得到铜合金基体，其中，抛光液为10
‑
30%的硝酸溶液；5）碳纳米管的前处理：对碳纳米管的前处理采用对碳纳米管粉末进行真空干燥，或对碳纳米管粉末用硝酸、硫酸混合进行酸处理，或将碳纳米管在空气中煅烧；
6）取前处理后的碳纳米管粉末加入无水乙醇中，超声处理后与4
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乙炔基苯胺乙醇溶液混合，再装在有磁子的圆底烧瓶中、在氮气中鼓泡后，将亚硝酸异戊酯快速滴加到混合溶液中，并在回流下、60
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80℃的不断搅拌的油浴锅中加热直至反应结束，冷却至室温后过滤，直至滤液为无色，收集产物即为重氮化后的碳纳米管；7）将将步骤4）得到的铜合金基体作为阴阳极放入复合电镀液中，两个电极在25℃复合电镀液中脉冲电镀1
‑
50 min，其中，脉冲电源参数为：电流为0.2
‑
2 a、频率：1000hz、正向100
‑
1000 ms、反向0
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1000 ms、占空比0
‑
1，两个电极的极距为5
‑
20 mm，电镀之后的阴极材料用去离子水、无水乙醇清洗，即为形成离域共轭π键的碳纳米管/铜复合导热材料，其中，所述复合电镀液为：0.2
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2 mg/ml重氮化后的碳纳米管、0.2
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1 mol/l硫酸与0.2
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1 mol/l硫酸铜水溶液的混合液。
6.本技术方案采用硫酸铜作为电镀液提供了铜离子，提高了复合镀层的稳定性；对铜基体进行表面处理提高了复合材料的导热系数；将碳纳米管复合电沉积到铜基体表面提高了复合材料的导热系数；采用4
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乙炔基苯胺的共轭有机分子在苯乙炔基的p轨道和垂直于碳纳米管侧壁的p轨道之间建立离域共轭π键，能降低碳纳米管与铜之间的界面热阻，提升复合材料的导热性能。
7.这种方法对设备要求不高、操作方便，所制备的复合材料导热能力强。
附图说明
8.图1为实施例中的脉冲电泳沉积(epd)工艺示意图；图2为实施例中的复合材料的扫描电子显微镜(sem)图；图3为实施例中的复合材料的高倍透射电子显微镜(tem)图；图4为实施例中的各种前处理方式的温度
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热扩散系数图。
具体实施方式
9.下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的阐述，但不是对本发明对限定。
10.实施例：一种构建离域共轭π键的碳纳米管/铜复合导热材料的制备方法，包括如下步骤：1）将h96黄铜原材料切割成厚度为2 mm、直径为10 mm的圆饼状基体，基体表面首先用600和1200目砂纸磨砂抛光，然后用去离子水清洗，接着在空气中晾干；2）晾干后的基体分别在丙酮和乙醇中超声处理10 min，用去离子水清洗；3）将步骤2）用去离子水清洗后的基体在60℃的自制除油液中浸泡5 min，再用去离子水清洗，其中，自制除油液为：碳酸钠25 g/l、磷酸三钠20 g/l、氢氧化钠50 g/l与op
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10 1 g/l的混合液；4）将步骤3）用去离子水清洗后的基体在抛光液中抛光5 s，再用去离子水清洗得到铜合金基体，其中，抛光液为30%的硝酸溶液；5）碳纳米管的前处理：对碳纳米管的前处理采用对碳纳米管粉末进行真空干燥，或对碳纳米管粉末用硝酸、硫酸混合进行酸处理，或将碳纳米管在空气中煅烧，本例中采用将碳纳米管在350℃的空气中煅烧3 h的方式进行前先处理，另外为了对比方便，其它两种
前处理方式分别为：将碳纳米管粉末在80℃真空干燥3 h、硝酸、硫酸混合酸在70℃的油浴中进行了6 h的回流冷凝处理，如图4所示，碳纳米管在空气中350℃煅烧3 h，既可以达到纯化碳纳米管的目的也不会使碳纳米管氧化，利于导热能力的提升；6）取前处理后的120 mg碳纳米管加入无水乙醇中，超声处理1 h后与1.1715 g 4
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乙炔基苯胺乙醇溶液混合，再装在有磁子的圆底烧瓶中、在氮气中鼓泡20 min后，将5 ml亚硝酸异戊酯快速滴加到混合溶液中，并在回流下、80℃的不断搅拌的油浴锅中加热18 h，冷却至室温后过滤，直至滤液为无色，收集产物即为重氮化后的碳纳米管；7）将步骤4）得到的铜合金基体作为阴阳极放入复合电镀液中，两个电极在25℃复合电镀液中脉冲电镀20 min，其中，脉冲电源参数为：电流为0.2 a、频率：1000hz、正向500 ms、反向500 ms、占空比0.33，两个电极的极距为20 mm，电镀之后的阴极材料用去离子水、无水乙醇清洗，即为形成离域共轭π键的碳纳米管/铜复合导热材料，如图2、3所示，在复合材料的表面可以看到重氮化后的碳纳米管和铜离子紧密结合，其中，所述复合电镀液为：0.7 mg/ml功能化的碳纳米管、0.7 mol/l硫酸与0.3 mol/l硫酸铜水溶液的混合液，如图1所示。
11.产品测试1）复合材料在激光导热仪中测试热扩散系数，计算导热系数，分析铜基复合材料的导热能力；2）采用热红外成像仪对复合材料的热性能和表面温度进行表征。
12.参照图2、图3，可以看到重氮化的碳纳米管和铜离子共沉积，由图4得到结论：采用前处理方式为空气中煅烧再重氮化的碳纳米管制备成的复合材料导热能力是最好的。