【摘要】：以碳納米管(Carbon nanotubes,CNTs)為增強(qiáng)相制備銅基復(fù)合材料是使銅基導(dǎo)體同時實現(xiàn)高強(qiáng)度高導(dǎo)電性能的有效途徑,但碳納米管/銅復(fù)合材料制備過程中存在的增強(qiáng)體分散性差和界面結(jié)合強(qiáng)度弱兩大問題影響復(fù)合材料高性能的實現(xiàn)。對碳納米管進(jìn)行表面氧化改性能改變碳納米管的表面結(jié)構(gòu)和反應(yīng)活性,從而改善碳納米管的分散性,增強(qiáng)碳納米管與銅基體的界面結(jié)合,但與此同時,氧化過程會破壞碳納米管的結(jié)構(gòu)完整性,影響其本征性能進(jìn)而影響其增強(qiáng)效果,因此,表面氧化改性對碳納米管結(jié)構(gòu)性能的影響及其對復(fù)合材料增強(qiáng)作用的影響應(yīng)該被綜合考慮。本文在研究影響碳納米管/銅復(fù)合材料高性能實現(xiàn)關(guān)鍵問題的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了碳納米管表面氧化改性過程對其增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料性能的影響,首先做了以下幾方面工作:一、利用酸蒸氧化法實現(xiàn)了不同長徑比的碳納米管的表面改性;二、利用異質(zhì)共聚液相混粉和放電等離子燒結(jié),用不同氧化處理條件改性的碳納米管制備了碳納米管/銅基復(fù)合材料;三、在優(yōu)化的表面氧化改性條件下,制備了具有不同碳納米管體積分?jǐn)?shù)的碳納米管/銅復(fù)合材料;通過對碳納米管及復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能的表征,得出了以下結(jié)論:(1)酸蒸氧化處理的適宜溫度為200℃。Raman光譜、TEM、BET、XPS、Zeta電位測試對碳納米管的結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)性質(zhì)的分析表明:隨著氧化處理時間的增長,碳納米管氧化程度提高,表面結(jié)構(gòu)無序度上升,缺陷程度增大,與此同時碳納米管表面含氧基團(tuán)數(shù)量升高,分散性提高;碳納米管薄膜的四探針電阻率測試結(jié)果表明:隨氧化處理時間的增長,碳納米管的導(dǎo)電性能降低。(2)氧化處理時間為3.5h的碳納米管在保持了較高結(jié)構(gòu)完整性的同時,能夠在銅基體中實現(xiàn)較為均勻的分布,因此,該條件下的碳納米管增強(qiáng)的銅基復(fù)合材料與其他氧化處理條件相比具有最高的抗拉強(qiáng)度457MPa,最高的硬度130HV,是相同條件下制備的純銅的1.6倍和2倍,同時導(dǎo)電性能損耗較小,電導(dǎo)率為92%IACS,是純銅的94%。通過合理控制碳納米管的表面氧化改性過程,實現(xiàn)了碳納米管/銅復(fù)合材料高強(qiáng)高導(dǎo)的綜合性能。(3)碳納米管體積分?jǐn)?shù)較低,對銅基體的增強(qiáng)作用有限,無法在壓制燒結(jié)過程中有效填充基體空隙,體積分?jǐn)?shù)過高,會形成團(tuán)聚,影響復(fù)合材料的性能,碳納米管體積分?jǐn)?shù)為3vol%的復(fù)合材料具有最高的致密度、力學(xué)性能和導(dǎo)電性性能。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB333
【圖文】：

和銅的界面不相容性，實現(xiàn)了碳管和銅的鑲嵌結(jié)構(gòu)或者包覆結(jié)構(gòu)，大大提高了碳管在銅基體中的分散均勻性。圖1-1 分子水平混合流程圖[30]Fig.1-1 Schematic draft of the molecular-level mixing method.（3）膠體混合法膠體混合是利用碳納米管分散液和銅粉的漿料進(jìn)行液相混合，通過超聲或機(jī)械攪拌的方法實現(xiàn)碳納米管在銅粉中的均勻分散，之后將膠體混合物干燥即可得到碳納米管/銅復(fù)合粉體，過程如圖 1-2 所示。膠體混合過程中碳納米管分散液的均勻性和穩(wěn)定性對混粉過程尤為重要，在膠體混合之前一般會對碳納米管進(jìn)行表面改性處理或是通過加入表面活性劑制備穩(wěn)定的碳納米管分散液。該方法避免了分子水平混合中復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，相比機(jī)械球磨對碳管結(jié)構(gòu)的破壞較小，混合過程中需要注意的是對碳管功能化反應(yīng)的控制，避免引入過多結(jié)構(gòu)缺陷影響碳管性能。

上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文5圖1-2 膠體混合流程圖[30]Fig.1-2 Schematic draft of the colloid mixing method1.2.2.2 復(fù)合材料的成型（1）復(fù)合粉體的壓制與燒結(jié)粉末混合過程或復(fù)合顆粒預(yù)制備過程完成后，需要對復(fù)合粉體進(jìn)行壓制和燒結(jié)得到成型的碳納米管/銅復(fù)合材料。常用的燒結(jié)成型工藝包括：冷壓燒結(jié)[31-34]、軸向熱壓燒結(jié)[35-38]放電等離子燒結(jié)[24,26,39-41]和微波燒結(jié)[42]等。傳統(tǒng)的冷壓工藝隨著壓力升高，復(fù)合材料的致密度和力學(xué)性能提高，但是壓力過高將引起碳納米管的斷裂和破壞，塊體材料內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，強(qiáng)度下降。熱壓燒結(jié)是在燒結(jié)過程中對材料同時施加軸向壓力，增加復(fù)合材料致密度。微波燒結(jié)是利用胚體內(nèi)部產(chǎn)生的熱而達(dá)到燒結(jié)的目的，可以避免外部加熱造成溫度梯度從而導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。放電等離子燒結(jié)是利用脈沖電流使顆粒局部熔融而達(dá)到燒結(jié)的目的，同時對胚體施加軸向壓力，達(dá)到快速燒結(jié)壓制的效果，該工藝具有燒結(jié)溫度范圍大，燒結(jié)周期短

制備高性能的CNT/Cu復(fù)合材料[24,31,49,50]，CNTs在銅基體中的分散效果如圖1-3(a)和(b)所示。圖1-3 分子水平混合法制備(a) CNT/Cu復(fù)合粉體形貌[49]和(b) CNT/Cu復(fù)合材料刻蝕后表面形貌[49]；電沉積法制備銅基復(fù)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.

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2789978