碳纳米管表面改性对高强高导铜基复合材料性能影响的研究

发布时间：2020-08-12 03:25

【摘要】：以碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)为增强相制备铜基复合材料是使铜基导体同时实现高强度高导电性能的有效途径,但碳纳米管/铜复合材料制备过程中存在的增强体分散性差和界面结合强度弱两大问题影响复合材料高性能的实现。对碳纳米管进行表面氧化改性能改变碳纳米管的表面结构和反应活性,从而改善碳纳米管的分散性,增强碳纳米管与铜基体的界面结合,但与此同时,氧化过程会破坏碳纳米管的结构完整性,影响其本征性能进而影响其增强效果,因此,表面氧化改性对碳纳米管结构性能的影响及其对复合材料增强作用的影响应该被综合考虑。本文在研究影响碳纳米管/铜复合材料高性能实现关键问题的基础上,进一步研究了碳纳米管表面氧化改性过程对其增强的铜基复合材料性能的影响,首先做了以下几方面工作:一、利用酸蒸氧化法实现了不同长径比的碳纳米管的表面改性;二、利用异质共聚液相混粉和放电等离子烧结,用不同氧化处理条件改性的碳纳米管制备了碳纳米管/铜基复合材料;三、在优化的表面氧化改性条件下,制备了具有不同碳纳米管体积分数的碳纳米管/铜复合材料;通过对碳纳米管及复合材料的结构和性能的表征,得出了以下结论:(1)酸蒸氧化处理的适宜温度为200℃。Raman光谱、TEM、BET、XPS、Zeta电位测试对碳纳米管的结构、表面化学性质的分析表明:随着氧化处理时间的增长,碳纳米管氧化程度提高,表面结构无序度上升,缺陷程度增大,与此同时碳纳米管表面含氧基团数量升高,分散性提高;碳纳米管薄膜的四探针电阻率测试结果表明:随氧化处理时间的增长,碳纳米管的导电性能降低。(2)氧化处理时间为3.5h的碳纳米管在保持了较高结构完整性的同时,能够在铜基体中实现较为均匀的分布,因此,该条件下的碳纳米管增强的铜基复合材料与其他氧化处理条件相比具有最高的抗拉强度457MPa,最高的硬度130HV,是相同条件下制备的纯铜的1.6倍和2倍,同时导电性能损耗较小,电导率为92%IACS,是纯铜的94%。通过合理控制碳纳米管的表面氧化改性过程,实现了碳纳米管/铜复合材料高强高导的综合性能。(3)碳纳米管体积分数较低,对铜基体的增强作用有限,无法在压制烧结过程中有效填充基体空隙,体积分数过高,会形成团聚,影响复合材料的性能,碳纳米管体积分数为3vol%的复合材料具有最高的致密度、力学性能和导电性性能。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB333
【图文】：

混合流程,分子水平

和铜的界面不相容性，实现了碳管和铜的镶嵌结构或者包覆结构，大大提高了碳管在铜基体中的分散均匀性。图1-1 分子水平混合流程图[30]Fig.1-1 Schematic draft of the molecular-level mixing method.（3）胶体混合法胶体混合是利用碳纳米管分散液和铜粉的浆料进行液相混合，通过超声或机械搅拌的方法实现碳纳米管在铜粉中的均匀分散，之后将胶体混合物干燥即可得到碳纳米管/铜复合粉体，过程如图 1-2 所示。胶体混合过程中碳纳米管分散液的均匀性和稳定性对混粉过程尤为重要，在胶体混合之前一般会对碳纳米管进行表面改性处理或是通过加入表面活性剂制备稳定的碳纳米管分散液。该方法避免了分子水平混合中复杂的化学反应过程，相比机械球磨对碳管结构的破坏较小，混合过程中需要注意的是对碳管功能化反应的控制，避免引入过多结构缺陷影响碳管性能。

混合流程,胶体

上海交通大学硕士学位论文5图1-2 胶体混合流程图[30]Fig.1-2 Schematic draft of the colloid mixing method1.2.2.2 复合材料的成型（1）复合粉体的压制与烧结粉末混合过程或复合颗粒预制备过程完成后，需要对复合粉体进行压制和烧结得到成型的碳纳米管/铜复合材料。常用的烧结成型工艺包括：冷压烧结[31-34]、轴向热压烧结[35-38]放电等离子烧结[24,26,39-41]和微波烧结[42]等。传统的冷压工艺随着压力升高，复合材料的致密度和力学性能提高，但是压力过高将引起碳纳米管的断裂和破坏，块体材料内部出现裂纹，强度下降。热压烧结是在烧结过程中对材料同时施加轴向压力，增加复合材料致密度。微波烧结是利用胚体内部产生的热而达到烧结的目的，可以避免外部加热造成温度梯度从而导致裂纹的产生。放电等离子烧结是利用脉冲电流使颗粒局部熔融而达到烧结的目的，同时对胚体施加轴向压力，达到快速烧结压制的效果，该工艺具有烧结温度范围大，烧结周期短

形貌,混合法,复合粉体,分子水平

制备高性能的CNT/Cu复合材料[24,31,49,50]，CNTs在铜基体中的分散效果如图1-3(a)和(b)所示。图1-3 分子水平混合法制备(a) CNT/Cu复合粉体形貌[49]和(b) CNT/Cu复合材料刻蚀后表面形貌[49]；电沉积法制备铜基复合薄膜的 (c) 表面形貌[51]和 (d) 截面形貌[51]Fig.1-3 SEM images of (a) CNT/Cu composite powders and (b) wet-etched CNT/Cunanocomposites synthesized by molecular level process (c) Surface SEM images and (d) Cross-sectional SEM images of Cu-MWCNT composite films synthesized by electrodeposition.

【参考文献】