碳/铜复合材料的制备及性能研究

碳 /铜复合材料的制备及性能研究

蒋小娟

重庆工业职业技术学院 机械工程与自动化学院 401120

中文摘要：铜和铜合金具有良好的导电性能和易加工成型性能等而被广泛地应用于机械、电子和能源等行业，因此推动人类社会的发展。随着社会的进步，人类对铜材料的要求也越来越高，在保证铜有良好的导电导热性能的同时还要求它具有较高的强度。因此人们不断地探索各种方法以使铜导电性和导热性不下降的同时又能具有较高的强度。而碳材料作为优异的第二相增强体材料可以提高铜基体的各向性能，则本文综述了碳/铜复合材料的制备及研究现状。

关键词：碳；铜；复合材料；制备方法

1 碳纤维/铜基复合材料

碳纤维(图1)是一种具有高模量和高强度的耐高温纤维，它的比重还不到钢的1/4，又由于碳纤维具有良好的自润滑性和低的热膨胀系数，因此它常添加到金属基和树脂基复合材料力学中以提高基体材料的性能。龙卧云等人则采用了粉末冶金的方法来制备碳纤维与铜基的复合材料，测试复合材料的性能后表明复合材料的硬度和耐磨性随着碳纤维含量的增加而增加，但是它的导电性反而有很大的降低。由于碳纤维和铜的表面都不润湿，因此将碳纤维和铜材料复合后它们之间的界面结合得不紧密，润湿性较差，所以对复合材料性能的提高有较大的影响。若采用电镀或者化学镀的方法在碳纤维上镀铜，可以有效地改善它们之间的界面结合，以使性能提高。

唐谊平等人利用电镀铜的方法在短纤维上镀了一层铜，镀后的产物较疏松，镀层较均匀。之后他用冷压烧结的方法制备了碳纤维增强铜基的复合材料，其中碳短的碳纤维在铜基体中分布较均匀，且纤维与铜的界面结合良好，其后对复合材料的性能做了测试，实验结果表明复合材料的硬度和抗弯强度均随着碳纤维的增加而增加，而电导率和热导率随着碳纤维的增加而降低。Wan等人连续三次对铜进行电镀，然后将镀后的产物进行热压烧结，在碳纤维增强的铜基复合材料中，当碳纤维的添加量为15vol%时，复合材料的强度可以达到400MPa，使纯铜基体的强度提高了两倍多。

图1 碳纤维的示意图

2 碳纳米管/铜基复合材料

碳纳米管(图2)主要是由碳原子呈六边形排列成几层到几十层的同轴圆管。碳纳米管具有高的强度和高的模量，它的力学性能比碳纤维更好，它的抗拉强度在50GPa到200GPa之间，它的弹性模量可以达到1TPa。另一方面，碳纳米管上的碳原子会贡献出一个电子来形成较大范围的离域键，它们之间会产生共轭效应，所以碳纳米管也具有良好的导电与导热性能。

碳纳米管添加到有机物和无机物中可以使它们的性能得到大幅度的提高，但是将它添加到金属基体材料中，复合材料的性能并不能达到预期的目标，其主要原因是碳纳米管之间存在着范德华力，范德华力的存在使碳纳米管之间相互吸引而产生严重的团聚。那么问题的关键是将碳纳米管均匀地分散于金属基体材料中，如果能解决这一问题，那么复合材料的性能有望提高。在这一方面很多学者做了相关探索，Zhan等人将碳纳米管与纳米级的铜粉相混合，这样可使碳纳米管均匀地分散于基体材料中，之后对制备出来的复合粉体进行烧结，烧结后复合材料的屈服强度有了明显的增加。Cha等人报道了利用分子级混合的方法将碳纳米管均匀地分散于铜基复合材料中，烧结后复合材料表现出优异的性能，这一方面他们做出了较大贡献，他首先是用强酸处理碳纳米管，使其表面官能化，官能化后的碳纳米管表面含有一些亲水基团，则碳纳米管能均匀地溶于溶剂中，之后将铜盐溶液与含有碳纳米管的溶液混合均匀，使混合溶液在磁力搅拌器上加热烘干，然后将反应物放于氢气炉中进行还原，就得到了碳纳米管与铜均匀混合的复合粉体，最后将复合粉体进行放电等离子烧结，以得到碳纳米管增强的铜基复合材料。对复合粉体和块体分别进行表征，结果表明碳纳米管均匀地分散于铜基体中，在复合材料中，添加10vol%的碳纳米管时，它的压缩屈服强度可以达到455MPa，是纯铜的三倍多，并且杨氏模量也有显著的提高。虽然碳纳米管的加入可以大幅度提高铜基体的力学性能，但是铜的导电性和导热性受到了不利的影响，所以在碳纳米管增强铜基复合材料中还有进一步的研究空间。

图2 碳纳米管的结构示意图

3 石墨烯/铜基复合材料

由于石墨烯具有极高的导电性、导热性和机械强度，因此它可以添加到铜基体中，提高它的综合性能。其中，李彬等人将氧化石墨烯溶液与醋酸铜溶液混合，之后在混合溶液中加入还原剂以还原出RGO和Cu，得到RGO/Cu的复合粉体。然后利用SPS进行烧结，得到RGO/Cu复合材料。当在复合材料中添加2.4vol%的石墨烯时，RGO/Cu复合材料的压缩屈服强度可以提高到501MPa，是纯铜屈服强度的3.34倍。杨帅等人直接将石墨和纳米铜粉相混合，然后利用机械装置对混合物进行研磨和剪切，最终得到石墨烯和纳米铜的复合粉体。然后利用SPS烧结得到石墨烯/铜基复合材料。它的屈服强度相比于纯铜提高了3倍。虽然复合材料的屈服强度得到提高，但是它的电导率有所下降，最好的电导率只能达到纯铜的80%。这是由于在制备的石墨烯/铜的复合粉体中，石墨烯并没有完全分散开，铜颗粒之间也存在着大量的团聚，石墨烯和铜颗粒不能均匀地复合在一起，因此影响了复合材料的性能。

为了改善石墨烯与铜颗粒之间的复合，Li等人利用化学法，先在石墨烯的表面负载一层Ni颗粒，再将Ni-GPLs溶液与铜粉超声混合以得到均匀混合的Ni-GPLs/Cu粉，之后再利用SPS对复合粉体进行烧结以实现致密化，制备的复合材料中GPLs与Cu之间具有好的分散性和界面结合能力。添加0.8Vol%的Ni-GPLs时，复合材料的拉伸强度相比于纯铜提高了42%。Tang等人利用化学方法在RGO表面负载一层纳米Ni颗粒，之后制备出RGO/Cu复合材料，当添加1.0Vol%的GNS-Ni时，复合材料的杨氏模量和屈服强度分别为132GPa和268MPa，相比于纯铜，分别提高了61%和94%。目前对于制备石墨烯/铜基复合材料，以提高它的力学性能方面的研究还处于起步阶段。因此为了得到导电性能与力学性能都提高的石墨烯/铜基复合材料，还需进一步的研究与探索。

致谢

本文作者感谢重庆工业职业技术学院校级科研专项一般项目的资助，项目编号为GZY2020-KY-22。

参考文献

[1] J M Ullbrand,J M Cordoba,J Tamayo-Ariztondo, et al. Thermomechanical properties of copper-carbon nanofibre composites prepared by spark plasma sintering and hot pressing[J]. Compos. Sci. Technol., 2010, 70(16): 2263-2268.

[2] 唐谊平,刘磊,赵海军. 短碳纤维增强铜基复合材料制备新工艺[J]. 机械工程材料, 2006, 30(10): 21-27.

[3] S Iijima. Helical microtubules of graphitic carbon[J]. Nature, 1991, 354(6348): 56-58.