一种氮掺杂碳纳米管增强的高导电铜基复合材料的制备方法

本发明属于金属基复合材料制备，具体涉及一种氮掺杂碳纳米管增强的高导电铜基复合材料的制备方法。

背景技术：

1、碳纳米管，简称cnts，由于其优异的力学、电学和热学性能而被视为复合材料理想的增强体之一。铜基复合材料由于其良好的导电、导热以及耐腐蚀性而广泛应用于电子器件、集成电路散热板、汽车转子等领域。在cnts/cu复合材料的研究中，如何发挥cnts与cu各自的优点，制备出兼具优异力学和电学性能的cnts/cu复合材料已成为领域内的研究热点。

2、目前，将cnts应用于cu基复合材料中会面临以下难题：其一，由于cnts巨大的长径比和高的比表面积，在范德华力的作用下容易团聚，导致其在金属基体中难以分散；其二cnts与cu基体之间的界面润湿性较差，界面结合方式主要是机械嵌合，这种物理结合的方式导致cnts/cu复合材料的界面结合强度较弱。利用酸化cnts产生的氧的化学桥接作用，虽然可以改善cnts与cu之间的润湿性，增强cnts与cu的界面结合，但是含氧官能团的存在会极大地降低cnts/cu复合材料的电导率。因此，有必要提供一种可行的策略来改进cnts与cu基体界面结合，以满足结构和功能集成的需求。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的缺点，本发明提供一种氮掺杂碳纳米管增强的高导电铜基复合材料的制备方法。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种氮掺杂碳纳米管增强的高导电铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)通入n2和ar的混合气体，将碳纳米管进行等离子体处理，结束后在保护性气氛降至室温，得到氮掺杂碳纳米管；

5、(2)将氮掺杂碳纳米管在水中进行超声分散，然后加入乙酸铜溶液中，通过分子级共混法制备得到ncnts/cuo复合粉末；

6、(3)将ncnts/cuo复合粉末进行还原退火处理，还原气氛为n2和h2，得到ncnts/cu复合粉末；

7、(4)将ncnts/cu复合粉末进行球磨、干燥，然后进行还原退火处理，还原气氛为n2和h2，得到ncnts/cu复合粉末；

8、(5)将ncnts/cu复合粉末经放电等离子烧结，得到氮掺杂碳纳米管复合增强铜基块体材料。

9、本发明所述方法在保证碳纳米管结构完整性的前提下，在碳纳米管表面进行氮掺杂处理。经过氮掺杂处理后的碳纳米管不仅能够提高自身的分散性，而且与cu基材料结合时，由于其表面性能的变化，能够提高cu与氮掺杂纳米管之间的润湿性，使氮掺杂纳米管在cu基体中均匀分散，改善了cnts与cu基体的界面结合强度。

10、本发明将碳纳米管均匀分散在石英板上，保证碳纳米管均匀平铺且蓬松，然后将分散碳纳米管的石英板放入等离子处理装置中进行等离子处理。

11、作为本发明的优选实施方式，所述碳纳米管的纯度为98％，外径为20-50nm，长度为10-50μm。

12、作为本发明的优选实施方式，所述步骤(1)中，等离子体处理功率为150-250w，n2流量为60～90sccm，ar流量10～40sccm。

13、本发明通过等离子处理调控碳纳米管表面含氮官能团的含量，实现对氮掺杂碳纳米管的性能进行调控，进而加强与铜基材料的界面结合力。同时，氮掺杂处理能减少碳纳米管周围cu基体的背散射，从而有利于碳纳米管和cu基体的界面上电子的转移，得到兼具优异力学性能和电学性能的氮掺杂碳纳米管复合增强铜基材料。

14、氮掺杂碳纳米管简称ncnts；ncnts/cuo复合粉末为氮掺杂碳纳米管/cuo复合粉末；ncnts/cu复合粉末为氮掺杂碳纳米管/cu复合粉末。

15、作为本发明的优选实施方式，所述分子级共混法包括如下步骤：将氮掺杂碳纳米管加入乙酸铜溶液中搅拌，然后加入氢氧化钠溶液加热，最后加入葡萄糖溶液反应，反应结束后洗涤、干燥得到ncnts/cuo复合粉末。

16、作为本发明的优选实施方式，所述ncnts/cu复合粉末中cu的体积分数为97.5％～99.5％，氮掺杂碳纳米管的体积分数为0.5％～2.5％。

17、作为本发明的优选实施方式，所述乙酸铜、氢氧化钠和葡萄糖的摩尔比为0.2：7：2。

18、作为本发明的优选实施方式，所述步骤(3)中，还原退火的温度为250-350℃，时间为4-7小时。

19、作为本发明的优选实施方式，所述步骤(4)中，球磨时间为2-3小时，转速为250-350r/min；还原退火的温度为200-300℃，时间为3-6小时。

20、作为本发明的优选实施方式，放电等离子烧结的升温速率为120-200℃/min，温度为600-900℃，保温时间为5-20min。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

22、(1)本发明采用等离子体处理，分子级共混、等离子体烧结等工艺，在不改变碳纳米管结构的基础上，调控氮掺杂碳纳米管表面官能团的含量，不仅增强了碳纳米管的分散性，而且增强与cu基体的界面结合强度，得到的氮掺杂碳纳米管复合增强铜基材料不仅具有优异的机械性能，并且具有良好的电学性能。

23、(2)本发明所述制备方法简单，容易实现，而且所述方法可以被广泛应用在其他金属基材料与碳纳米管的复合。

技术特征：

1.一种氮掺杂碳纳米管增强的高导电铜基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述氮掺杂碳纳米管增强的高导电铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管的纯度为98％以上，外径为20-50nm，长度为10-50μm。

3.如权利要求1所述氮掺杂碳纳米管增强的高导电铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，等离子体处理功率为150-250w，n2的流量为60～90sccm，ar的流量10～40sccm。

4.如权利要求1所述氮掺杂碳纳米管增强的高导电铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，ncnts/cu复合粉末中cu的体积分数为97.5％～99.5％，氮掺杂碳纳米管的体积分数为0.5％～2.5％。

5.如权利要求1所述氮掺杂碳纳米管增强的高导电铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述分子级共混法包括如下步骤：将ncnts加入乙酸铜溶液中搅拌，然后加入氢氧化钠溶液加热，最后加入葡萄糖溶液反应，反应结束后洗涤、干燥得到ncnts/cuo复合粉末。

6.如权利要求1所述氮掺杂碳纳米管增强的高导电铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述乙酸铜、氢氧化钠和葡萄糖的摩尔比为0.2：7：2。

7.如权利要求1所述氮掺杂碳纳米管增强的高导电铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，还原退火的温度为250-350℃，时间为4-7小时。

8.如权利要求1所述氮掺杂碳纳米管增强的高导电铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，球磨时间为2-3小时，转速为250-350r/min；还原退火的温度为200-300℃，时间为3-6小时。

9.如权利要求1所述氮掺杂碳纳米管增强的高导电铜基复合材料的制备方法，其特征在于，放电等离子烧结的升温速率为120-200℃/min，温度为600-900℃，保温时间为5-20min。

技术总结
本发明公开了一种氮掺杂碳纳米管增强的高导电铜基复合材料的制备方法，属于金属基复合材料技术领域。所述制备方法包括以下步骤：通入N<subgt;2</subgt;和Ar混合气体，将CNTs进行等离子体处理得到NCNTs；将NCNTs与乙酸铜溶液混合，通过分子级共混法得到NCNTs/CuO粉末；将NCNTs/CuO粉末进行还原退火处理得到NCNTs/Cu复合粉末；将NCNTs/Cu复合粉末进行球磨、干燥，然后还原退火得到NCNTs/Cu复合粉末；最后经放电等离子烧结得到氮掺杂碳纳米管复合增强铜基材料。本发明在不破坏CNTs结构的前提下，通过在CNTs表面引入含氮官能团，提高其在铜基体中的分散均匀性以及与铜基体间的界面结合强度。同时，含氮官能团的引入能有效提高铜基复合材料界面电子输运能力，从而制备兼具优异力学和导电性能的铜基复合材料。

技术研发人员：陶静梅,孙伟,陈小丰,易健宏,鲍瑞,刘意春,刘亮,李才巨
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15