本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域，特別涉及一種制備碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備方法。

背景技術(shù)：

碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料將銅的高電導(dǎo)率的電學(xué)性能和碳納米管的高彈性模量，高強(qiáng)度，高耐磨的力學(xué)性能的優(yōu)點(diǎn)集于一身，突破了銅金屬因?yàn)樽陨韽?qiáng)度不夠而不能滿足高耐磨，高抗拉強(qiáng)度的更苛刻的應(yīng)用條件的限制，使其在高速列車弓形滑板，開關(guān)電觸頭材料，以及精密電路框架引線等高端電氣電子領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

目前碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備方法主要是采用粉末冶金的方法，具體過程是先通過不同的方法制得復(fù)合粉體，再將復(fù)合粉體采用真空熱壓、等離子燒結(jié)等固結(jié)方式燒結(jié)成型制得碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合塊體材料。其中根據(jù)復(fù)合粉體的制備方法不同衍生出化學(xué)鍍法、分子水平混合、原位合成法、攪拌摩擦法、高能球磨法等。byungk.lim通過化學(xué)鍍等離子燒結(jié)得到15vol%的碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，電導(dǎo)率72%iacs，抗拉強(qiáng)度341.2mpa。shukla.a.k將碳納米管和銅粉高能球磨混合再熱壓燒結(jié)得到復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度為330mpa。cha和kim采用分子水平混合法將表面功能化的碳管和醋酸銅混合-氫氣還原得到復(fù)合粉體，再等離子燒結(jié)得到碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，抗拉強(qiáng)度達(dá)到360mpa較純銅提高了230%。專利cn201210095598.8“一種碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備方法”發(fā)明人蔡曉蘭，該專利采用高能球磨法混料，退火-冷壓-燒結(jié)成型技術(shù)方案制備的碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，碳納米管在基體中分散均勻，但是其成型工藝流程較長，所得到的復(fù)合材料導(dǎo)電性能提升有限。

目前圍繞碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料主要存在的問題是碳納米管與銅基體的界面結(jié)合性以及均勻分散性問題，另外采用傳統(tǒng)的粉末冶金方法制備碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料流程繁瑣復(fù)雜，因此開發(fā)出使碳管和基體分散均勻、界面結(jié)合良好并且生產(chǎn)流程簡單的制備方法是推動納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料更廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種制備碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備方法，該制備方法簡單并且流程短，不僅能解決碳管在銅基體中分布均勻性和界面結(jié)合性問題，還能滿足產(chǎn)業(yè)化連續(xù)批量生產(chǎn)的問題，制得抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電率均理想的高性能碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，并且適合于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

一種制備碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的方法，具體包括以下步驟：

（1）將碳納米管和銅粉按照質(zhì)量比1:80-200的比例球磨均勻后，裝入銅管中夯實(shí)并兩端封口；

（2）將步驟（1）的銅管送入帶有高頻感應(yīng)線圈的旋鍛機(jī)內(nèi)進(jìn)行旋鍛成型，經(jīng)過多道次不同直徑旋鍛模具的旋鍛成型，得到棒狀碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料。

步驟（1）所述球磨轉(zhuǎn)速為500-700r/min，球磨時間為60min。

步驟（2）所述銅管送入速度為10-50cm/min。

步驟（2）所述高頻感應(yīng)線圈的加熱溫度為550-750℃。

步驟（2）所述旋鍛成型的變形道次為2-10次。

步驟（2）所述高頻感應(yīng)線圈設(shè)置在旋鍛機(jī)內(nèi)旋鍛道的外部。

本發(fā)明的有益效果：

（1）高頻感應(yīng)線圈的加熱和旋鍛結(jié)合，旋鍛變形中小變形區(qū)多次鍛打產(chǎn)生的三向壓應(yīng)力變形，最終實(shí)現(xiàn)非常大的變形量，利于碳納米管在銅基體內(nèi)均勻分散以及與銅基體之間的界面結(jié)合，增加碳納米管和銅基體的結(jié)合強(qiáng)度，細(xì)化晶粒，改善碳納米管方向性使其軸向排布，利于提高復(fù)合材料的致密度、抗拉強(qiáng)度以及電導(dǎo)率，再加上旋鍛本身對復(fù)合材料的加工硬化作用，得到的碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能穩(wěn)定。

（2）本方法流程短，工藝簡單，利于產(chǎn)業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)，而且旋鍛復(fù)合材料時材料本身會產(chǎn)生熱量，使得外加的成型溫度可以降低，整個成型過程所需時間短，節(jié)約了能耗，無氣體和固體廢棄物產(chǎn)生從而實(shí)現(xiàn)了綠色生產(chǎn)的目標(biāo)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明旋鍛感應(yīng)加熱成型裝置部分結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1旋鍛感應(yīng)加熱制備的棒狀碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例3的復(fù)合材料碳納米管和銅基體的界面結(jié)合的tem形貌；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例3和對比例復(fù)合材料的金相sem形貌：（a）對比例的金相sem形貌；（b）實(shí)施例3的金相sem形貌；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例3的復(fù)合材料斷口形貌：（a）實(shí)施例3的2000斷口形貌；（b）實(shí)施例3的8000倍斷口形貌；

圖6為本發(fā)明對比例的復(fù)合材料斷口形貌：（a）對比例的2000斷口形貌；（b）對比例的8000倍斷口形貌；

圖中，1-銅管，2-高頻感應(yīng)線圈溫度控制器，3-高頻感應(yīng)線圈，4-旋鍛模具，5-旋鍛機(jī)。

具體實(shí)施方式

根據(jù)以下實(shí)例，可以進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員很容易理解實(shí)施例中所述的具體配方、配比、工藝參數(shù)、條件及結(jié)果僅用于說明本發(fā)明，而不應(yīng)該會限制權(quán)利要求書中所詳述的本發(fā)明。

實(shí)施例1

本實(shí)施例一種制備碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的方法，具體包括以下步驟：

（1）把2.5g碳納米管和497.25g的600目銅粉加入高能球磨機(jī)中，以500r/min交變轉(zhuǎn)速球磨60min得到混合均勻的碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合粉體，將復(fù)合粉體裝入壁厚為0.5mm、外徑10mm、長度為0.3m的銅管中夯實(shí)并兩端封口；

（2）將步驟（1）的銅管10cm/min的速度送入內(nèi)部帶有高頻感應(yīng)線圈的旋鍛機(jī)內(nèi)進(jìn)行旋鍛成型，如圖1所示，高頻感應(yīng)線圈設(shè)置在旋鍛機(jī)內(nèi)旋鍛道的外部，高頻感應(yīng)線圈的加熱溫度為550℃，依次按照直徑8mm、6mm的模具進(jìn)行2道次不同直徑旋鍛模具的旋鍛成型，得到減徑量為40%即直徑為6mm左右長度0.55米的棒狀碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，如圖2所示。

實(shí)施例2

本實(shí)施例一種制備碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的方法，具體包括以下步驟：

（1）把20g碳納米管和2980g的600目銅粉加入高能球磨機(jī)中，以600r/min交變轉(zhuǎn)速球磨60min得到混合均勻的碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合粉體，將復(fù)合粉體裝入壁厚為5.0mm、外徑60mm、長度為2m的銅管中夯實(shí)并兩端封口；

（2）將步驟（1）的銅管以50cm/min的速度送入內(nèi)部帶有高頻感應(yīng)線圈的旋鍛機(jī)內(nèi)進(jìn)行旋鍛成型，高頻感應(yīng)線圈設(shè)置在旋鍛機(jī)內(nèi)旋鍛道的外部，高頻感應(yīng)線圈的加熱溫度為750℃，依次按照直徑54mm、48mm、42mm、36mm、30mm、24mm、18mm、16mm、14mm、12mm的模具進(jìn)行10道次不同直徑旋鍛模具的旋鍛成型，得到變形量為80%即直徑為12mm左右長度3.1米的棒狀碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料。

實(shí)施例3

本實(shí)施例一種制備碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的方法，具體包括以下步驟：

（1）把12.04g碳納米管和987.96g的600目銅粉加入高能球磨機(jī)中，以700r/min交變轉(zhuǎn)速球磨60min得到混合均勻的碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合粉體，將復(fù)合粉體裝入壁厚為1.0mm、外徑20mm、長度為1m的銅管中夯實(shí)并兩端封口；

（2）將步驟（1）的銅管以30cm/min的速度送入內(nèi)部帶有高頻感應(yīng)線圈的旋鍛機(jī)內(nèi)進(jìn)行旋鍛成型，高頻感應(yīng)線圈設(shè)置在旋鍛機(jī)內(nèi)旋鍛道的外部，高頻感應(yīng)線圈的加熱溫度為650℃，依次按照直徑18mm、16mm、14mm、12mm、10mm的模具進(jìn)行5道次不同直徑旋鍛模具的旋鍛成型，得到變形量為50%即直徑為10mm左右長度2.5米的棒狀碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料；圖3為實(shí)施例3的碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的tem形貌圖，從圖中可以看出，碳管在銅基體中被緊密包圍，且中間過渡區(qū)無明顯界線，說明碳納米管和銅基體的界面結(jié)合好。

對比例

本實(shí)施例一種制備碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的方法，具體包括以下步驟：

（1）把12.04g碳納米管和987.96g的600目銅粉加入高能球磨機(jī)中，以700r/min交變轉(zhuǎn)速球磨60min得到混合均勻的碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合粉體。

（2）將復(fù)合粉體經(jīng)過傳統(tǒng)的真空熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度850℃，燒結(jié)壓力70mpa，保壓1h得到碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料。

圖4為實(shí)施例3和對比例所得復(fù)合材料的金相sem形貌對比，從圖中可以看出，本實(shí)施例得到的碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的平均晶粒尺寸約為10μm以下，這要比對比例復(fù)合材料的晶粒尺寸（約20μm以上）小很多，說明實(shí)施例3的工藝對于細(xì)化復(fù)合材料的晶粒獲得有益效果；圖5為實(shí)施例3的復(fù)合材料斷口形貌，圖6為對比例中的復(fù)合材料放大同樣倍數(shù)的斷口形貌，從斷口形貌的對比上可以明顯看出，實(shí)施例3的斷口形貌呈現(xiàn)典型的韌性斷裂形貌，碳納米管沿軸向排布，對比例呈現(xiàn)了脆性解理斷裂的斷口形貌，很好的說明了實(shí)施例3的工藝改善了碳納米管方向性使其軸向排布。

將對比例得到的復(fù)合材料表面打磨平整光滑，實(shí)施例1-3得到的復(fù)合材料采用同樣的工藝將外部銅管打磨干凈，采用真密度儀測定其致密度，電子萬能試驗(yàn)機(jī)0.5mm/min速度測定其抗拉伸強(qiáng)度，渦流導(dǎo)電儀測定其電導(dǎo)率，具體檢測數(shù)據(jù)見下表1。

表1為對比例和實(shí)施例制備的復(fù)合材料致密度、抗拉強(qiáng)度、電導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由表1可知，實(shí)施例1-3得到的碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的致密度、抗拉強(qiáng)度、電導(dǎo)率均要比對比例中采用傳統(tǒng)的真空熱壓成型的碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的致密度好、抗拉強(qiáng)度提高、電導(dǎo)率提高，這很好的說明了本發(fā)明所述方法能顯著提高碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料致密度、抗拉強(qiáng)度、電導(dǎo)率。