碳纳米管增强铜基复合材料制备工艺与电学性能研究

发布时间：2017-09-20 06:31

  本文关键词：碳纳米管增强铜基复合材料制备工艺与电学性能研究

  更多相关文章： 复合材料 电学性能 电镀 粉末冶金 电导率 载流量

【摘要】：碳纳米管(CNTs)具有极高的力学性能、优异的导电和导热性能,被视为理想的复合材料增强相。CNTs增强复合材料已成为一个极为重要的研究领域。然而,由于CNTs与金属基体间相容性、增强体空间分布难以控制、CNTs本身载流量高而电导率相对较低等,CNTs增强金属基复合材料尚未展现出对金属基体电学性能的显著提升,或者无法有效兼顾电学性能和力学性能,整体研究仍处于起步阶段。鉴于此,从预处理、制备方法和电学机制分析等方面概述了CNTs增强金属基复合材料电学性能的研究现状,并展望了该领域的未来发展趋势。通过电镀和粉末冶金两种不同的制备工艺分别制备试样,然后研究不同工艺条件对CNTs-Cu复合材料电学性能的影响。根据国内外研究进展,电镀工艺是目前唯一能制备出高载流量、高电导率CNTs-Cu复合材料的方法；而粉末冶金法则是研究CNTs-Cu复合材料最广泛的方法。所以,这两种方法具有广泛代表性。采用电镀法制备三明治结构CNTs-Cu复合材料,对试样使用四探针法检测电导率,采用SEM.EDX和XRD分析试样表面形貌、元素和物相组成。在制备试样过程中,镀层颗粒粒径随电镀电流密度增大而增大,且颗粒形貌逐渐由球形转变为不规则多边形。在电镀电流密度由1.0mA cm-2增加至5.0mA cm-2过程中,复合材料电导率45.2×103 S cm-1降低至2.04×103 S cm-1。对电导率下降的原因进行分析发现：随电镀电流密度增加,颗粒粒径增加且形貌也由球形转变为不规则多边形。与不规则多边形相比,由大小不一的球形颗粒堆积形成的镀层孔隙更少,能降低电子在孔隙处散射的概率,从而电导率越高。对粉末冶金法制备的试样使用涡流导电仪测试电导率,采用阿基米德排水测试密度。实验过程中使用普通多壁碳纳米管(MWCNTs)和镀Ni-MWCNTs。研究发现复合材料密度和电导率随CNTs加入量增加而降低。因为CNTs与Cu浸润性差,将CNTs引入基体后CNTs不与基体发生反应,所以增强相与基体界面结合性能不好。增强相的加入将产生孔隙,增强相加入越多,基体内产生的孔隙越多,所以密度和电导率越低。另一方面,由于CNTs电导率低于Cu,所以CNTs加入Cu必然会导致复合材料电导率降低。与普通MWCNTs相比,使用镀Ni-MWCNTs制备的试样电导率和密度都高于普通MWCNTs,因为Ni与Cu无限互溶,镀Ni-MWCNTs与Cu的界面结合性能要优于普通MWCNTs:另一方面,Ni与Cu密度相当,球磨过程中镀Ni-MWCNTs更容易混合均匀。由上述两点可知,镀Ni-MWCNTs制备的复合材料性能更加优异。
【关键词】：复合材料 电学性能 电镀 粉末冶金 电导率 载流量
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB333
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 文献综述12-32
• 1.1 引言12-13
• 1.2 预处理13-19
• 1.2.1 改性13-16
• 1.2.2 制成CNTs纤维和巴基纸16-18
• 1.2.3 分离金属性和半导体性CNTs18-19
• 1.3 制备工艺19-24
• 1.3.1 粉末冶金法19-21
• 1.3.2 电镀和电泳沉积21-23
• 1.3.3 其他方法23-24
• 1.4 影响电学性能的因素24-31
• 1.4.1 CNTs互成网络24-25
• 1.4.2 接触电阻与界面现象25-26
• 1.4.3 孔隙和缺陷对电导率的影响26-28
• 1.4.4 CNTs排布方向28
• 1.4.5 其他28-31
• 1.5 本课题的意义与目的31-32
• 第二章 实验方法与分析测试技术32-46
• 2.1 电镀法制备碳纳米管铜基复合材料方法32-35
• 2.1.1 实验所用主要试剂32
• 2.1.2 原料与设备32-33
• 2.1.3 制备工艺33-35
• 2.2 粉末冶金法制备碳纳米管铜基复合材料方法35-39
• 2.2.1 粉末冶金简介35-37
• 2.2.2 主要原料和设备37-38
• 2.2.3 制备工艺38-39
• 2.3 分析测试技术39-46
• 2.3.1 扫描电镜(SEM)39
• 2.3.2 X射线衍射(XRD)39-40
• 2.3.3 能谱分析(EDS)40-41
• 2.3.4 四探针电阻仪41-44
• 2.3.5 涡流导电仪44-45
• 2.3.6 行星式球磨机45-46
• 第三章 电镀法制备碳纳米管铜基复合材料的电学性能46-69
• 3.1 碳纳米管薄膜电镀铜的原理46
• 3.2 电导率结果讨论与分析46-60
• 3.3 分析影响三明治结构CNTs-Cu复合材料电导率的因素60-63
• 3.4 载流量分析63-67
• 3.5 本章小结67-69
• 第四章 粉末冶金法制备碳纳米管铜基复合材料69-75
• 4.1 引言69
• 4.2 CNTs-Cu复合材料的密度69-71
• 4.3 CNTs-Cu复合材料的电导率71-74
• 4.4 本章小结74-75
• 第五章 结论75-77
• 5.1 结论75-76
• 5.2 展望76-77
• 致谢77-78
• 参考文献78-83
• 附录A：主要研究成果83

，

本文编号：886441