一種三維結構CNTs增強Cu基復合材料的制備方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及CNTs增強銅基復合材料的制備方法。
【背景技術】
[0002]在有色金屬中，銅因具有良好的導電性與導熱性、耐腐蝕以及易于加工成形等優點被廣泛應用于航天、電子電氣、機械加工與國防等領域，成為用量僅次于鋼鐵與鋁的第三金屬。但是隨著現代工業技術的快速發展，對于銅材的強度、導電與導熱等性能提出了更高的綜合性能要求。
[0003]CNTs具有獨特的結構和優異的物理化學性能，其抗拉強度約為高強鋼的100倍，密度僅為鋼的1/6?1/7;同時，CNTs還因具有高的導電率與熱導率、低的熱膨脹系數、良好的熱穩定性等而成為納米科技領域的研究熱點，被認為是制備高性能復合材料的理想增強相之一。隨著CNTs生產技術的成熟和制備成本的下降，使在Cu基復合材料中制作三維CNTs增強體成為可能。使用傳統方法制備的三維CNTs存在分散不均勻以及CNTs與Cu基體結合力低的問題，本發明通過PECVD的方法可制得分散均勻的CNTs，且采用先生長三維石墨烯，再在石墨稀上原位生長CNT s的方法，可使制得的CNT s與Cu基體結合良好，使制備的Cu基復合材料在具有良好導電性與導熱性的同時，也具有高的強度。
【發明內容】
[0004]本發明要解決傳統方法制備三維CNTs分散不均勻，CNTs與基體結合力低導致復合材料強度低的問題，而提供一種三維結構CNTs增強Cu基復合材料的制備方法。
[0005]—種三維結構CNTs增強Cu基復合材料的制備方法，具體是按照以下步驟進行的:
[0006]一、將泡沫銅置于丙酮中超聲預處理1min?20min，得到預處理后的泡沫銅；
[0007]二、將預處理后的泡沫銅置于化學氣相沉積裝置中，抽真空至壓強為20Pa以下，以氣體流量為5sccm?20sccm通入氬氣，調節化學氣相沉積裝置中壓強為10Pa?200Pa，并在壓強為10Pa?200Pa和氬氣氣氛下，將溫度升溫至500°C?800°C;
[0008]三、通入甲烷氣體，調節甲烷氣體的氣體流量為Isccm?20sccm，調節氬氣的氣體流量為808(^1]1?99800111，調節化學氣相沉積裝置中壓強為400?3?700?3，然后在壓強為400Pa?700Pa和溫度為500°C?800°C的條件下進行沉積，沉積時間為5min?15min，沉積結束后，關閉加熱電源，停止通入甲烷氣體，在氬氣氣氛下，以冷卻速度為5°C/min?10°C/min將溫度冷卻至室溫，得到表面生長石墨烯的泡沫銅；
[0009]四、將表面生長石墨烯的泡沫銅浸漬于催化劑中，浸漬時間為5s?30s，然后風干，得到表面附著催化劑的CNTs/泡沫銅；
[0010]所述的催化劑為濃度為0.0lmol/L?0.05mol/L的Fe(NO3)3的異丙醇溶液或濃度為0.0lmol/L ?0.05mol/L 的 NiNC>3 的異丙醇溶液；
[0011]五、將表面附著催化劑的CNTs/泡沫銅置于等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中，抽真空后，以氣體流量為5sccm?20sccm通入氫氣，以氣體流量為30sccm?45sccm通入甲烷氣體，調節等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中壓強為500Pa?800Pa，調節等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中溫度為500°C?700°C，然后在壓強為500Pa?800Pa和溫度為500°C?700°C的條件下進行生長，保溫時間為5min?30min，得到三維CNTs/泡沫銅；
[0012]六、將三維CNTs/泡沫銅與銅粉放入石墨模具中，在燒結壓力為20MPa?50MPa、電流通斷時間比為(I?8)ms:1ms及升溫速率為50°C/min?100°C/min的條件下，將溫度升溫至800°C?1000°C，然后在燒結壓力為20MPa?50MPa、電流通斷時間比為(I?8)ms:lms及燒結溫度為800°C?1000°C的條件下進行放電等離子燒結Imin?5min;
[0013]所述的三維CNTs/泡沫銅與銅粉的質量比為1: (10?20)；
[0014]七、關閉放電等離子燒結裝置，采用水冷降溫，取出塊狀復合材料，即得到三維結構CNTs增強Cu基復合材料。
[0015]本發明三維CNTs增強Cu基復合材料的制備方法基本原理:利用泡沫銅的泡沫結構，在其上原位生長CNTs以制得三維結構的CNTs，在生長CNTs前，先在Cu基體上生長一層石墨烯，然后再在石墨烯上生長CNTs，可使CNTs與Cu基體結合良好，并且通過PECVD原位生長的CNTs在基體上分散均勻，從而使獲得的Cu基復合材料具有良好的電學、熱學以及力學性會K。
[0016]本發明的有益效果是:
[0017]1、本發明使用PECVD的方法，借助三維泡沫銅的骨架，可低溫短時制備三維CNTs，且在最終的銅基復合材料中分散均勻，沒有團聚現象。
[0018]2、本發明通過先在Cu基體上生長石墨烯，然后在石墨烯上原位生長CNTs，最后再與銅粉燒結的方法可使CNTs與Cu基體結合良好，提高復合材料的強度，同時使復合材料擁有良好的耐熱性與導電性。
[0019]3、本發明的方法簡單，高效，低成本，便于工業化生產，在銅基復合材料領域具有良好的應用前景。
[0020]本發明用于一種三維結構CNTs增強Cu基復合材料的制備方法。
【具體實施方式】
[0021]本發明技術方案不局限于以下所列舉的【具體實施方式】，還包括各【具體實施方式】之間的任意組合。
[0022]【具體實施方式】一:本實施方式所述的一種三維結構CNTs增強Cu基復合材料的制備方法，具體是按照以下步驟進行的:
[0023]—、將泡沫銅置于丙酮中超聲預處理1min?20min，得到預處理后的泡沫銅；
[0024]二、將預處理后的泡沫銅置于化學氣相沉積裝置中，抽真空至壓強為20Pa以下，以氣體流量為5sccm?20sccm通入氬氣，調節化學氣相沉積裝置中壓強為10Pa?200Pa，并在壓強為10Pa?200Pa和氬氣氣氛下，將溫度升溫至500°C?800°C;
[0025 ] 三、通入甲燒氣體，調節甲燒氣體的氣體流量為I s c cm?20 s c cm，調節氬氣的氣體流量為808(^1]1?99800111，調節化學氣相沉積裝置中壓強為400?3?700?3，然后在壓強為400Pa?700Pa和溫度為500°C?800°C的條件下進行沉積，沉積時間為5min?15min，沉積結束后，關閉加熱電源，停止通入甲烷氣體，在氬氣氣氛下，以冷卻速度為5°C/min?10°C/min將溫度冷卻至室溫，得到表面生長石墨烯的泡沫銅；
[0026]四、將表面生長石墨烯的泡沫銅浸漬于催化劑中，浸漬時間為5s?30s，然后風干，得到表面附著催化劑的CNTs/泡沫銅；
[0027]所述的催化劑為濃度為0.0lmol/L?0.05mol/L的Fe(NO3)3的異丙醇溶液或濃度為
0.0lmol/L?0.05mol/L的NiN03的異丙醇溶液；
[0028]五、將表面附著催化劑的CNTs/泡沫銅置于等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中，抽真空后，以氣體流量為5sccm?20sccm通入氫氣，以氣體流量為30sccm?45sccm通入甲烷氣體，調節等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中壓強為500Pa?800Pa，調節等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中溫度為500°C?700°C，然后在壓強為500Pa?800Pa和溫度為500°C?700°C的條件下進行生長，保溫時間為5min?30min，得到三維CNTs/泡沫銅；
[0029]六、將三維CNTs/泡沫銅與銅粉放入石墨模具中，在燒結壓力為20MPa?50MPa、電流通斷時間比為(I?8)ms:1ms及升溫速率為50°C/min?100°C/min的條件下，將溫度升溫至800°C?1000°C，然后在燒結壓力為20MPa?50MPa、電流通斷時間比為(I?8)ms:lms及燒結溫度為800°C?1000°C的條件下進行放電等離子燒結Imin?5min;
[0030]所述的三維CNTs/泡沫銅與銅粉的質量比為1: (10?20)；
[0031]七、關閉放電等離子燒結裝置，采用水冷降溫，取出塊狀復合材料，即得到三維結構CNTs增強Cu基復合材料。
[0032]本實施方式的有益效果是:
[0033]1、本實施方式使用PECVD的方法，借助三維泡沫銅的骨架，可低溫短時制備三維CNTs，且在最終的銅基復合材料中分散均勻，沒有團聚現象。
[0034]2、本實施方式通過先在Cu基體上生長石墨稀，然后在石墨稀上原位生長CNTs，最后再與銅粉燒結的方法可使CNTs與Cu基體結合良好，提高復合材料的強度，同時使復合材料擁有良好的耐熱性與導電性。
[0035]3、本實施方式的方法簡單，高效，低成本，便于工業化生產，在銅基復合材料領域具有良好的應用前景。
[0036]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:步驟五中然后在壓強為500Pa?800Pa和溫度為500°C?700°C的條件下進行生長，保溫時間為5min?25min。其它與【具體實施方式】一相同。
[0037]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二之一不同的是:步驟六中然后在燒結壓力為20MPa?50MPa、電流通斷時間比為(I?8)ms:lms及燒結溫度為800°C?1000°C的條件下進行放電等離子燒結2min?5min。其它與【具體實施方式】一或二相同。
[0038]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一至三之一不同的是:步驟三中然后在壓強為400Pa?700Pa和溫度為500°C的條件下進行沉積，沉積時間為5min?15min。其它與【具體實施方式】一至三相同。
[0039]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一至四之一不同的是:步驟三中然后在壓強為400Pa?700Pa和溫度為600°C的條件下進行沉積，沉積時間為5min?15min。其它與【具體實施方式】一至四相同。
[0040]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施