本發明屬于金屬基復合材料領域，特別涉及一種制備碳納米管增強銅基復合材料的制備方法。

背景技術：

碳納米管增強銅基復合材料將銅的高電導率的電學性能和碳納米管的高彈性模量，高強度，高耐磨的力學性能的優點集于一身，突破了銅金屬因為自身強度不夠而不能滿足高耐磨，高抗拉強度的更苛刻的應用條件的限制，使其在高速列車弓形滑板，開關電觸頭材料，以及精密電路框架引線等高端電氣電子領域具有廣泛的應用前景。

目前碳納米管增強銅基復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合粉體，再將復合粉體采用真空熱壓、等離子燒結等固結方式燒結成型制得碳納米管增強銅基復合塊體材料。其中根據復合粉體的制備方法不同衍生出化學鍍法、分子水平混合、原位合成法、攪拌摩擦法、高能球磨法等。byungk.lim通過化學鍍等離子燒結得到15vol%的碳納米管增強銅基復合材料，電導率72%iacs，抗拉強度341.2mpa。shukla.a.k將碳納米管和銅粉高能球磨混合再熱壓燒結得到復合材料抗拉強度為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-氫氣還原得到復合粉體，再等離子燒結得到碳納米管增強銅基復合材料，抗拉強度達到360mpa較純銅提高了230%。專利cn201210095598.8“一種碳納米管增強銅基復合材料的制備方法”發明人蔡曉蘭，該專利采用高能球磨法混料，退火-冷壓-燒結成型技術方案制備的碳納米管增強銅基復合材料，碳納米管在基體中分散均勻，但是其成型工藝流程較長，所得到的復合材料導電性能提升有限。

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

技術實現要素：

本發明提供一種制備碳納米管增強銅基復合材料的制備方法，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合性問題，還能滿足產業化連續批量生產的問題，制得抗拉強度和導電率均理想的高性能碳納米管增強銅基復合材料，并且適合于產業化生產。

一種制備碳納米管增強銅基復合材料的方法，具體包括以下步驟：

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

（2）將步驟（1）的銅管送入帶有高頻感應線圈的旋鍛機內進行旋鍛成型，經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銅基復合材料。

步驟（1）所述球磨轉速為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）所述高頻感應線圈設置在旋鍛機內旋鍛道的外部。

本發明的有益效果：

（1）高頻感應線圈的加熱和旋鍛結合，旋鍛變形中小變形區多次鍛打產生的三向壓應力變形，最終實現非常大的變形量，利于碳納米管在銅基體內均勻分散以及與銅基體之間的界面結合，增加碳納米管和銅基體的結合強度，細化晶粒，改善碳納米管方向性使其軸向排布，利于提高復合材料的致密度、抗拉強度以及電導率，再加上旋鍛本身對復合材料的加工硬化作用，得到的碳納米管增強復合材料的力學性能和導電性能穩定。

（2）本方法流程短，工藝簡單，利于產業化連續生產，而且旋鍛復合材料時材料本身會產生熱量，使得外加的成型溫度可以降低，整個成型過程所需時間短，節約了能耗，無氣體和固體廢棄物產生從而實現了綠色生產的目標。

附圖說明

圖1為本發明旋鍛感應加熱成型裝置部分結構示意圖；

圖2為本發明實施例1旋鍛感應加熱制備的棒狀碳納米管增強銅基復合材料；

圖3為本發明實施例3的復合材料碳納米管和銅基體的界面結合的tem形貌；

圖4為本發明實施例3和對比例復合材料的金相sem形貌：（a）對比例的金相sem形貌；（b）實施例3的金相sem形貌；

圖5為本發明實施例3的復合材料斷口形貌：（a）實施例3的2000斷口形貌；（b）實施例3的8000倍斷口形貌；

圖6為本發明對比例的復合材料斷口形貌：（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-高頻感應線圈溫度控制器，3-高頻感應線圈，4-旋鍛模具，5-旋鍛機。

具體實施方式

根據以下實例，可以進一步理解本發明，但是，本領域的技術人員很容易理解實施例中所述的具體配方、配比、工藝參數、條件及結果僅用于說明本發明，而不應該會限制權利要求書中所詳述的本發明。

實施例1

本實施例一種制備碳納米管增強銅基復合材料的方法，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中，以500r/min交變轉速球磨60min得到混合均勻的碳納米管增強銅基復合粉體，將復合粉體裝入壁厚為0.5mm、外徑10mm、長度為0.3m的銅管中夯實并兩端封口；

（2）將步驟（1）的銅管10cm/min的速度送入內部帶有高頻感應線圈的旋鍛機內進行旋鍛成型，如圖1所示，高頻感應線圈設置在旋鍛機內旋鍛道的外部，高頻感應線圈的加熱溫度為550℃，依次按照直徑8mm、6mm的模具進行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銅基復合材料，如圖2所示。

實施例2

本實施例一種制備碳納米管增強銅基復合材料的方法，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中，以600r/min交變轉速球磨60min得到混合均勻的碳納米管增強銅基復合粉體，將復合粉體裝入壁厚為5.0mm、外徑60mm、長度為2m的銅管中夯實并兩端封口；

（2）將步驟（1）的銅管以50cm/min的速度送入內部帶有高頻感應線圈的旋鍛機內進行旋鍛成型，高頻感應線圈設置在旋鍛機內旋鍛道的外部，高頻感應線圈的加熱溫度為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銅基復合材料。

實施例3

本實施例一種制備碳納米管增強銅基復合材料的方法，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中，以700r/min交變轉速球磨60min得到混合均勻的碳納米管增強銅基復合粉體，將復合粉體裝入壁厚為1.0mm、外徑20mm、長度為1m的銅管中夯實并兩端封口；

（2）將步驟（1）的銅管以30cm/min的速度送入內部帶有高頻感應線圈的旋鍛機內進行旋鍛成型，高頻感應線圈設置在旋鍛機內旋鍛道的外部，高頻感應線圈的加熱溫度為650℃，依次按照直徑18mm、16mm、14mm、12mm、10mm的模具進行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銅基復合材料；圖3為實施例3的碳納米管增強銅基復合材料的tem形貌圖，從圖中可以看出，碳管在銅基體中被緊密包圍，且中間過渡區無明顯界線，說明碳納米管和銅基體的界面結合好。

對比例

本實施例一種制備碳納米管增強銅基復合材料的方法，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中，以700r/min交變轉速球磨60min得到混合均勻的碳納米管增強銅基復合粉體。

（2）將復合粉體經過傳統的真空熱壓燒結，燒結溫度850℃，燒結壓力70mpa，保壓1h得到碳納米管增強銅基復合材料。

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

將對比例得到的復合材料表面打磨平整光滑，實施例1-3得到的復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，電子萬能試驗機0.5mm/min速度測定其抗拉伸強度，渦流導電儀測定其電導率，具體檢測數據見下表1。

表1為對比例和實施例制備的復合材料致密度、抗拉強度、電導率的實驗數據。

由表1可知，實施例1-3得到的碳納米管增強銅基復合材料的致密度、抗拉強度、電導率均要比對比例中采用傳統的真空熱壓成型的碳納米管增強銅基復合材料的致密度好、抗拉強度提高、電導率提高，這很好的說明了本發明所述方法能顯著提高碳納米管增強銅基復合材料致密度、抗拉強度、電導率。