一种Cu-CNTs复合材的料制备方法与流程

本发明涉及一种cu-cnts复合材料的制备方法。

背景技术：

有色金属材料尤其是铜(cu)，是国民经济发展中至关重要的支柱性材料之一。cu因具有良好的导电导热性能以及易于加工等优点而被广泛应用于电子电气、建筑工业、航空航天、交通运输与国防军工等领域。随着现代工业技术的快速发展，cu的应用领域对铜材导电性能提出了更高的要求，开发新的高导电材料成为了迫切任务。碳纳米管(cnts)具有独特的结构和优异的理化性能，其抗拉强度约为高强钢的100倍，密度仅为钢的1/6～1/7；同时，cnts还具有优良的导电性、导热性、低的热膨胀系数、良好的热稳定性和耐蚀性而成为纳米科技领域的研究热点，相比碳纤维微米尺度下的增强作用，cnts在微纳尺度下的增强作用更为显著，被认为是制备高性能复合材料的理想增强相之一。因此，以cu为基体、cnts为增强体的复合材料成为全球材料学科中新材料开发的热点研究方向。

目前，高电导率cu-cnts复合导电材料的制备目前仍然面临着许多问题和挑战：1、传统工艺中cnts在cu基体中存在严重的团聚现象，并且其在铜基体中的无序排列使复合材料的导电性能减弱；2、现阶段cu-cnts复合材料的制备工艺复杂、成分费用高，例如通过机械球磨法、粉末冶金法制备cu-cnts块材，再如通过电化学沉积法、热压烧结法制备高强度的cu-cnts铸锭，其导电性能较纯铜都有所降低。因此，迫切需要新的研究思路和制备方法来提高cu-cnts复合导体的性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术缺点，提出一种cu-cnts复合材料的制备方法。本发明制备的cu-cnts复合材料轻质、电导率高。所述的轻质是由于碳元素的原子质量比铜元素的原子质量低，复合材料的质量比较轻、密度小于纯cu，并且电导率不低于国际退火铜标准(iacs)的100％。本发明所制备的复合材料的组分为cu基体及分布在基体中的功能化cnts，所述cnts的质量分数为0.01％～5％，cu的质量分数为95％～99.99％。

所述一种cu-cnts复合材料的制备方法，步骤如下：

1)cnts的功能化处理：将质量为0.16～0.32g的cnts溶于硫酸和硝酸的混合溶液中，采用油浴加热和磁力搅拌的方式，再经过离心、抽滤，得到纯化的、且分散性良好的cnts分散液及cnts粉体。所述硫酸和硝酸的混合溶液中，硝酸与硫酸的摩尔比为1:3，油浴温度为50～80℃，反应时间为4～8h；

2)衬底预处理：将金属m表面抛光处理，清洗并吹干；配制ph值为1-2的1mol/l的cuso4·5h2o作为电解液，以所述金属m为工作电极，金属cu为对电极，在常温下，电化学脉冲沉积金属cu；得到m-cu复合衬底；作为衬底的所述金属片或者金属丝是标准电极电势不大于金属cu的非贵金属；

3)电化学脉冲沉积cu-cnts复合材料前驱体：首先，配制ph值为1-2的1mol/l的cuso4·5h2o溶液，在其中加入步骤1)制备的cnts分散液或cnts粉体，使cnts的浓度为0.01～0.1mg/ml，并对混合液进行超声与磁力搅拌，使cnts在溶液中均匀分散。以步骤2)中所述m-cu复合衬底为工作电极，将电镀装置放置在强磁场热处理炉中，施加0.1～15t的恒定磁场；在常温下，以正向电流密度50～250ma/cm²、脉宽4000～5500μs，反向电流密度-5～-50ma/cm²、脉宽2000～2400μs、占空比20～50％的脉冲电流进行电化学脉冲沉积，得到cu-cnts复合材料前驱体；

4)将步骤3)得到的cu-cnts复合材料前驱体置于惰性保护气中，在300～400℃的温度下退火处理1h，得到cu-cnts复合材料。

本发明制备方法制备的cu-cnts复合材料的电导率达到100％-120％国际退火铜标准(iacs)以上，且密度小于纯cu。

本发明所制备的cu-cnts复合材料有以下优点：

本发明使用的电化学脉冲沉积法，其液相体系可使cnts均匀分散；在外加磁场的作用下得到的导电复合材料中，cnts在cu基体中分布均匀，无明显团聚现象；其电导率可达到100-120％iacs，并且密度小于纯铜；本发明可以应用于电解铜产业，使得生产效率进一步提高。

附图说明

图1本发明实施例功能化cnt分散液的照片；

图2本发明实施例cu-cnt复合材料的照片；

图3本发明实施例cu-cnt复合材料的sem照片；

图4本发明实施例电化学脉冲沉积波形图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

将40ml硝酸与120ml硫酸倒入500ml圆底烧瓶中，再加入0.16gcnts粉末，通过磁力搅拌混合均匀，50℃油浴加热4h，然后静置24h。将混合液经离心、抽滤等处理后，得到功能化的cnts分散液及cnts粉体。图1为本实施例提供的cnts分散液的光学照片。由图1可知，由该制备方法得到的cnts在水溶液中的分散程度非常好。

将钛丝表面抛光处理，清洗并吹干；配置ph值为1-2的1mol/l的cuso4·5h2o作为电解液，以所述钛片为工作电极，cu为对电极，在常温下，电化学脉冲沉积金属cu。电化学脉冲沉积正向电流密度为200ma/cm²、脉宽为4000μs，反向电流密度-15ma/cm²、脉宽2000μs、占空比25％，电镀时间为600s，得到钛-cu复合衬底。

配制ph值为1-2的1mol/l的cuso4·5h2o溶液，在其中加入步骤1得到的cnts分散液，浓度为0.01mg/ml，并对混合液进行超声与磁力搅拌，使功能化的cnts在溶液中均匀分散。以钛-cu复合衬底为工作电极，施加5t的磁场，在常温下，以脉冲电流进行沉积，电化学脉冲沉积正向电流密度为200ma/cm²、脉宽为4000μs，反向电流密度-15ma/cm²、脉宽2000μs、占空比25％，电化学脉冲沉积时间为3600s，得到cu-cnts复合材料前驱体；将cu-cnts复合材料前驱体置于惰性保护气中，升温至300℃，保温1h进行退火处理，得到cu-cnts复合材料，其中cu的质量分数为99.97％，cnts的质量分数为0.03％。

使用keithley电源电压表经伏安法测量，复合材料电导率为119.9％iacs。

实施例2

将80ml硝酸与2400ml硫酸倒入500ml圆底烧瓶中，再加入0.32gcnts粉末，通过磁力搅拌混合均匀，80℃油浴加热4h，然后将反应体系静置24h。将混合液经离心、抽滤等处理后，得到功能化的cnts分散液及cnts粉体。

将钛片表面抛光处理，清洗并吹干；配置ph值为1-2的1mol/l的cuso4·5h2o作为电解液，以所述钛丝为工作电极，cu为对电极，在常温下，电化学脉冲沉积金属cu。电化学脉冲沉积正向电流密度为150ma/cm²、脉宽为5500μs，反向电流密度-15ma/cm²、脉宽2000μs、占空比25％，电镀时间为600s。得到钛-cu复合衬底。

配制ph值为1-2的1mol/l的cuso4·5h2o溶液，在其中加入步骤1得到的cnts分散液，浓度为0.1mg/ml，并对混合液进行超声与磁力搅拌，使cnts在溶液中均匀分散。以钛-cu复合衬底为工作电极，施加15t的磁场，在常温下，以脉冲电流进行沉积，电化学脉冲沉积的正向电流密度为150ma/cm²、脉宽为5000μs，反向电流密度-15ma/cm²、脉宽2200μs、占空比25％，电化学脉冲沉积时间为3600s，得到cu-cnts复合材料前驱体；将cu-cnts复合材料前驱体置于惰性保护气中，升温至400℃，保温1h进行退火处理，得到cu-cnts复合材料，其中cu的质量分数为95％，cnts的质量分数为5％。图2为本实施例提供的cu-cnts复合材料的光学照片。由图2可知，由该制备方法得到的cu-cnts复合材料可以直接形成表面光滑的cu-cnts薄膜样品。

使用keithley电源电压表经伏安法测量，复合材料电导率为109.1％iacs。

实施例3

将60ml硝酸与180ml硫酸倒入500ml圆底烧瓶中，再加入cnt0.24g，通过磁力搅拌混合均匀，65℃油浴加热6h，然后将反应体系静置24h。将混合液经离心、抽滤等处理后，得到功能化的cnts分散液及cnts粉体。

将铝片表面抛光处理，清洗并吹干；配置ph值为1-2的1mol/l的cuso4·5h2o作为电解液，以所述铝片为工作电极，cu为对电极，在常温下，电化学脉冲沉积金属cu。电化学脉冲沉积正向电流密度为100ma/cm²、脉宽为4000μs，反向电流密度-10ma/cm²、脉宽2000μs、占空比25％，电镀时间为600s，得到铝-cu复合衬底。

配制ph值为1-2的1mol/l的cuso4·5h2o溶液，在其中加入步骤1得到的cnts分散液，浓度为0.03mg/ml，并对混合液进行超声与磁力搅拌，使cnts在溶液中均匀分散。以铝-cu复合衬底为工作电极，施加1t的磁场，在常温下，以脉冲电流进行沉积，电化学脉冲沉积的正向电流密度为100ma/cm²、脉宽为4000μs，反向电流密度-10ma/cm²、脉宽2000μs、占空比25％，电化学脉冲沉积时间为3600s，得到cu-cnts复合材料前驱体；将cu-cnts复合材料前驱体置于惰性保护气中，升温至350℃，保温1h进行退火处理，得到cu-cnts复合材料，其中cu的质量分数为99.92％，cnts的质量分数为0.08％。

使用keithley电源电压表经伏安法测量，复合材料电导率为110.4％iacs。

实施例4

将40ml硝酸与120ml硫酸倒入500ml圆底烧瓶中，再加入0.16gcnt粉末，通过磁力搅拌混合均匀，50℃油浴加热8h，然后将反应体系静置24h。将混合液经离心、抽滤等处理后，得到功能化的cnts分散液及cnts粉体。

将铜丝表面抛光处理，清洗并吹干；配置ph值为1-2的1mol/l的cuso4·5h2o作为电解液，以所述铜丝为工作电极，cu为对电极，在常温下，电化学脉冲沉积金属cu。电化学脉冲沉积正向电流密度为250ma/cm²、脉宽为5500μs，反向电流密度-30ma/cm²、脉宽2400μs、占空比20％，电镀时间为600s，得到铜-cu复合衬底。

配制ph值为1-2的1mol/l的cuso4·5h2o溶液，在其中加入步骤1得到的cnts分散液，浓度为0.05mg/ml，并对混合液进行超声与磁力搅拌，使cnts在溶液中均匀分散。以铜-cu复合衬底为工作电极，施加8t的磁场，在常温下，以脉冲电流进行沉积，电化学脉冲沉积的正向电流密度为250ma/cm²、脉宽为5500μs，反向电流密度-30ma/cm²、脉宽2400μs、占空比20％，电化学脉冲沉积时间为3600s，得到cu-cnts复合材料前驱体；将cu-cnts复合材料前驱体置于惰性保护气中，升温至300℃，保温1h进行退火处理，得到cu-cnts复合材料，其中cu的质量分数为99％，cnts的质量分数为0.1％。

使用keithley电源电压表经伏安法测量，复合材料电导率为103.3％iacs。

实施例5

将80ml硝酸与240ml硫酸倒入500ml圆底烧瓶中，再加入0.32gcnt粉末，通过磁力搅拌混合均匀，65℃油浴加热4h，然后将反应体系静置24h。将混合液经离心、抽滤等处理后，得到功能化的cnts分散液及cnts粉体。

将不锈钢片表面抛光处理，清洗并吹干；配置ph值为1-2的1mol/l的cuso4·5h2o作为电解液，以所述不锈钢片为工作电极，cu为对电极，在常温下，电化学脉冲沉积金属cu。电化学脉冲沉积正向电流密度为100ma/cm²、脉宽为5500μs，反向电流密度-15ma/cm²、脉宽2000μs、占空比25％，电镀时间为600s，得到不锈钢-cu复合衬底。

配制ph值为1-2的1mol/l的cuso4·5h2o溶液，在其中加入步骤1得到的cnts粉体，浓度为0.05mg/ml，并对混合液进行超声与磁力搅拌，使cnts在溶液中均匀分散。以不锈钢-cu复合衬底为工作电极，施加10t的磁场，在常温下，以脉冲电流进行沉积，电化学脉冲沉积的正向电流密度为100ma/cm²、脉宽为5500μs，反向电流密度-15ma/cm²、脉宽2000μs、占空比25％，电化学脉冲沉积时间为3600s，得到cu-cnts复合材料前驱体；将cu-cnts复合材料前驱体置于惰性保护气中，升温至300℃，保温1h进行退火处理，得到cu-cnts复合材料，其中cu的质量分数为97％，cnts的质量分数为3％。图3为本实施例提供的cu-cnts复合材料的sem照片。由图3可知，由该制备方法得到的复合材料中cnts在铜基体中穿插分布。

使用keithley电源电压表经伏安法测量，复合材料电导率为112.1％iacs。

实施例6

将60ml硝酸与180ml硫酸倒入500ml圆底烧瓶中，再加入0.24gcnt粉末，通过磁力搅拌混合均匀，80℃油浴加热4h，然后将反应体系静置24h。将混合液经离心、抽滤等处理后，得到功能化的cnts分散液及cnts粉体。

将镍丝表面抛光处理，清洗并吹干；配置ph值为1-2的1mol/l的cuso4·5h2o作为电解液，以所述镍丝为工作电极，cu为对电极，在常温下，电化学脉冲沉积金属cu。电化学脉冲沉积正向电流密度为50ma/cm²、脉宽为5500μs，反向电流密度-5ma/cm²、脉宽2400μs、占空比50％，电镀时间为600s，得到镍-cu复合衬底。

配制ph值为1-2的1mol/l的cuso4·5h2o溶液，在其中加入步骤1得到的cnts粉体，浓度为0.1mg/ml，并对混合液进行超声与磁力搅拌，使cnts在溶液中均匀分散。以镍-cu复合衬底为工作电极，施加12t的磁场，在常温下，以脉冲电流进行沉积，电化学脉冲沉积的正向电流密度为50ma/cm²、脉宽为5000μs，反向电流密度-5ma/cm²、脉宽2400μs、占空比50％，电化学脉冲沉积时间为3600s，得到cu-cnts复合材料前驱体；将cu-cnts复合材料前驱体置于惰性保护气中，升温至400℃，保温1h进行退火处理，得到cu-cnts复合材料，其中cu的质量分数为95.5％，cnts的质量分数为4.5％。

使用keithley电源电压表经伏安法测量，复合材料电导率为101.9％iacs。

实施例7

将40ml硝酸与120ml硫酸倒入500ml圆底烧瓶中，再加入0.16gcnt粉末，通过磁力搅拌混合均匀，50℃油浴加热4h，然后将反应体系静置24h。将混合液经离心、抽滤等处理后，得到功能化的cnts分散液及cnts粉体。

将锌片表面抛光处理，清洗并吹干；配置ph值为1-2的1mol/l的cuso4·5h2o作为电解液，以所述锌片为工作电极，cu为对电极，在常温下，电化学脉冲沉积金属cu。电化学脉冲沉积正向电流密度为250ma/cm²、脉宽为4000μs，反向电流密度-15ma/cm²、脉宽2000μs、占空比25％，电镀时间为600s，得到锌-cu复合衬底。

配制ph值为1-2的1mol/l的cuso4·5h2o溶液，在其中加入步骤1得到的cnts粉体，浓度为0.03mg/ml，并对混合液进行超声与磁力搅拌，使cnts在溶液中均匀分散。以锌-cu复合衬底为工作电极，施加0.1t的磁场，在常温下，以脉冲电流进行沉积，电化学脉冲沉积的正向电流密度为250ma/cm²、脉宽为4000μs，反向电流密度-15ma/cm²、脉宽2000μs、占空比25％，电化学脉冲沉积时间为3600s，得到cu-cnts复合材料前驱体；将cu-cnts复合材料前驱体置于惰性保护气中，升温至350℃，保温1h进行退火处理，得到cu-cnts复合材料其中cu的质量分数为98％，cnts的质量分数为0.2％。

使用keithley电源电压表经伏安法测量，复合材料电导率为100.3％iacs。

实施例8

将80ml硝酸与240ml硫酸倒入500ml圆底烧瓶中，再加入0.32gcnt粉末，通过磁力搅拌混合均匀，65℃油浴加热8h，然后将反应体系静置24h。将混合液经离心、抽滤等处理后，得到功能化的cnts分散液及cnts粉体。

将铝丝表面抛光处理，清洗并吹干；配置ph值为1-2的1mol/l的cuso4·5h2o作为电解液，以所述铝丝为工作电极，cu为对电极，在常温下，电化学脉冲沉积金属cu。电化学脉冲沉积正向电流密度为100ma/cm²、脉宽为5500μs，反向电流密度-15ma/cm²、脉宽2200μs、占空比33％，电镀时间为600s，得到铝-cu复合衬底。

配制ph值为1-2的1mol/l的cuso4·5h2o溶液，在其中加入步骤1得到的cnts粉体，浓度为0.03mg/ml，并对混合液进行超声与磁力搅拌，使cnts在溶液中均匀分散。以铝-cu复合衬底为工作电极，施加3t的磁场，在常温下，以脉冲电流进行沉积，电化学脉冲沉积的正向电流密度为100ma/cm²、脉宽为5500μs，反向电流密度-15ma/cm²、脉宽2200μs、占空比33％，电化学脉冲沉积时间为3600s，得到cu-cnts复合材料前驱体；将cu-cnts复合材料前驱体置于惰性保护气中，升温至300℃，保温1h进行退火处理，得到cu-cnts复合材料，其中cu的质量分数为99.95％，cnts的质量分数为0.05％。

使用keithley电源电压表经伏安法测量，复合材料电导率为114.8％iacs。

实施例9

将40ml硝酸与120ml硫酸倒入500ml圆底烧瓶中，再加入0.16gcnts粉末，通过磁力搅拌混合均匀，50℃油浴加热4h，然后静置24h。将混合液经离心、抽滤等处理后，得到功能化的cnts分散液及cnts粉体。

将铅丝表面抛光处理，清洗并吹干；配置ph值为1-2的1mol/l的cuso4·5h2o作为电解液，以所述铅丝为工作电极，cu为对电极，在常温下，电化学脉冲沉积金属cu。电化学脉冲沉积正向电流密度为200ma/cm²、脉宽为4000μs，反向电流密度-15ma/cm²、脉宽2000μs、占空比25％，电镀时间为600s，得到铅-cu复合衬底。图4为本实施例提供的电化学沉积的电流波形示意图。

配制ph值为1-2的1mol/l的cuso4·5h2o溶液，在其中加入步骤1得到的cnts分散液，浓度为0.01mg/ml，并对混合液进行超声与磁力搅拌，使功能化的cnts在溶液中均匀分散。以铅-cu复合衬底为工作电极，施加5t的磁场，在常温下，以脉冲电流进行沉积，电化学脉冲沉积正向电流密度为200ma/cm²、脉宽为4000μs，反向电流密度-15ma/cm²、脉宽2000μs、占空比25％，电化学脉冲沉积时间为3600s，得到cu-cnts复合材料前驱体；将cu-cnts复合材料前驱体置于惰性保护气中，升温至300℃，保温1h进行退火处理，得到cu-cnts复合材料，其中cu的质量分数为99.97％，cnts的质量分数为0.03％。

使用keithley电源电压表经伏安法测量，复合材料电导率为119.1％iacs。

实施例10

将60ml硝酸与180ml硫酸倒入500ml圆底烧瓶中，再加入0.24gcnt粉末，通过磁力搅拌混合均匀，50℃油浴加热6h，然后将反应体系静置24h。将混合液经离心、抽滤等处理后，得到功能化的cnts分散液及cnts粉体。

将不锈钢丝表面抛光处理，清洗并吹干；配置ph值为1-2的1mol/l的cuso4·5h2o作为电解液，以所述不锈钢丝为工作电极，cu为对电极，在常温下，电化学脉冲沉积金属cu。电化学脉冲沉积正向电流密度为200ma/cm²、脉宽为5000μs，反向电流密度-50ma/cm²、脉宽2000μs、占空比40％，电镀时间为600s，得到不锈钢-cu复合衬底。

配制ph值为1-2的1mol/l的cuso4·5h2o溶液，在其中加入步骤1得到的cnts粉体，浓度为0.01mg/ml，并对混合液进行超声与磁力搅拌，使cnts在溶液中均匀分散。以不锈钢-cu复合衬底为工作电极，施加15t的磁场，在常温下，以脉冲电流进行沉积，电化学脉冲沉积的正向电流密度为200ma/cm²、脉宽为5000μs，反向电流密度-50ma/cm²、脉宽2000μs、占空比40％，电化学脉冲沉积时间为3600s，得到cu-cnts复合材料前驱体；将cu-cnts复合材料前驱体置于惰性保护气中，升温至300℃，保温1h进行退火处理，得到cu-cnts复合材料，其中cu的质量分数为99.99％，cnts的质量分数为0.01％。

使用keithley电源电压表经伏安法测量，复合材料电导率为106.1％iacs。

实施例11

将60ml硝酸与180ml硫酸倒入500ml圆底烧瓶中，再加入0.24gcnt粉末，通过磁力搅拌混合均匀，50℃油浴加热6h，然后将反应体系静置24h。将混合液经离心、抽滤等处理后，得到功能化的cnts分散液及cnts粉体。

将铅片表面抛光处理，清洗并吹干；配置ph值为1-2的1mol/l的cuso4·5h2o作为电解液，以所述铅片为工作电极，cu为对电极，在常温下，电化学脉冲沉积金属cu。电化学脉冲沉积正向电流密度为200ma/cm²、脉宽为5000μs，反向电流密度-50ma/cm²、脉宽2000μs、占空比40％，电镀时间为600s，得到铅-cu复合衬底。

配制ph值为1-2的1mol/l的cuso4·5h2o溶液，在其中加入步骤1得到的cnts粉体，浓度为0.01mg/ml，并对混合液进行超声与磁力搅拌，使cnts在溶液中均匀分散。以铅-cu复合衬底为工作电极，施加15t的磁场，在常温下，以脉冲电流进行沉积，电化学脉冲沉积的正向电流密度为200ma/cm²、脉宽为5000μs，反向电流密度-50ma/cm²、脉宽2000μs、占空比40％，电化学脉冲沉积时间为3600s，得到cu-cnts复合材料前驱体；将cu-cnts复合材料前驱体置于惰性保护气中，升温至300℃，保温1h进行退火处理，得到cu-cnts复合材料，其中cu的质量分数为99％，cnts的质量分数为1％。

使用keithley电源电压表经伏安法测量，复合材料电导率为103.2％iacs。