纳米碳管增强铜基复合材料的设备性能分析

2018-06-28 07:33王恩通

王恩通

（吕梁学院化学化工系，山西吕梁 033000）

铜以及铜合金在电子电气、机械制造领域得到广泛应用，主要因其优异的导热性、导电性、耐腐性、机械性等。但铜以及铜合金华存在较多缺陷，例如室温下强度低、磨损性能差等，同时铜以及铜合金很难同时拥有较高的导电性与强度[1]。

随着现代工业的快速发展，对铜以及铜合金在引用中的导热性、导电性、强度等提出了更高的要求。因此在其中适当的引用增强相制备成复合材料，能够发挥基体与增加之间的协同作用，纳米碳管增强铜基复合材料成为当前一项研究热点[2-3]。

1 纳米碳管增强铜基复合材料的设备性能实验

在纳米碳管增强铜基复合材料的设备性能实验中主要采用纯度为99.8%、松装密度为1.2～1.7、粒度为-300目的电解铜粉。以及碳纳米管（CNTs）、十二烷基硫酸钠（化学纯）、酒精（分析纯）。

实验采用转速参数为300 r/min的行星式球磨机进行湿磨混合配料，其中球磨时间为2.5小时、选择1∶1的球料比。实验在800℃的热压温度下进行，热压3.9吨，时间参数为3小时。

用新鲜的三氯化铁盐酸酒精溶液对复合材料进行时间为15s的腐蚀，利用光学显微镜对复合材料进行分析。

显微镜下，碳纳米管增强铜基复合材料，如下图1与下图2所示：

图1 CNTso/Cu复合材料显微组织

图1为碳纳米管增强铜基显微材料，图1为无碳纳米管显微组织，图2为1.5%含量碳纳米管显微组织。通过图2可以看出，复合材料的光学金向显微组织主要分为纯铜基体与团状碳纳米管两部分，并且复合材料中纯铜的基体相呈连续状。其中深色的圆形物质为CNTs图，而灰色部分是基体纯铜相。

通过上图可以分析出，复合材料中存在晶体形态不同但组织保持连续性的特点。

在实验中可以看出，若CNTs含量达到一定比例时，不同压制方向的纳米复合材料中金相组织也不同。

纳米碳管增强铜基复合材料硬度与碳纳米管含量关系，如图2所示：

图2 复合材料硬度与碳纳米管含量关系

由上图可知，复合材料的硬度主要由碳纳米管含量决定[7]。而随着其中CNTs的增涨，材料硬度会逐渐降低，这主要因为复合材料中会有着一定的碳纳米管偏聚现象存在，这些偏聚对复合造成连续割裂。

因为碳纳米管的加入，偏聚作用会使铜基体组织紧密度降低，从而导致复合材料硬度降低。并且由于复合材料中纳米管与铜基体材料无法达到较好的润湿性，导致复合硬度下降。

热膨胀系数随纳米碳管体积分数的变化，如图4所示：

图3 热膨胀系数随纳米碳管体积分数的变化

根据上图表明，复合材料的热膨胀系数远远低于纯铜。且随着复合材料中纳米碳管体积分数的增加，热膨胀系数会逐渐下降。

在复合加热过程中，热冷却存在滞后现象。材料的纳米碳含量越高，这种滞后现象越明显。

复合电阻率，复合材料导电率较好，相比与纯铜来说仅为其1/2～2/3。复合材料导电率主要由纳米碳管体积分数决定，随着材料中纳米碳管体积分数的降低，导电率随之增加。纳米碳管轴向有着较好的导电率，且完整的纳米碳管导电率远远高于铜，所以在复合材料中，纳米碳管体积分数对导电率影响很小。

为了测试纳米碳管增强铜基复合材料设备与传统材料设备性能区别，设计了对比实验。选择材料分别为纳米碳管增强铜基复合材料与传统材料的设备进行多项性能测试。

为保证复合材料与传统材料设备性能检测的准确性，通过对两种不同材料设备包括硬度、热膨胀性、导电性等综合性能进行对比，进行实验，结果如下。

将复合材料与传统材料设备性能进行综合检测，随着时间变化，实验结果如下图4所示：

图4 不同材料设备性能对比试验结果

从上图可以看出，虽然传统材料设备性能虽然性能较好，但随着时间变化，传统材料设备综合性能逐渐下降。而复合材料设备相对于传统材料设备来说，综合性能指数较高，且随着时间变化较小。

由此可以看出纳米碳管增强铜基复合材料设备有着更好的综合性能。

在实验过程中，通过对碳纳米管增强基材料的分析可以得出，相对于纯铜材料来说，复合材料硬度较高，且热膨胀与导电性能较好。因此所制成的设备能够在实际应用中得到更好的发展。

[1]董梦瑶,刘春太,吕广超,等.碳纳米纤维对玻纤增强环氧树脂基复合材料机械及耐磨性能的影响[J].玻璃钢/复合材料,2016,46(6)：16-20.

[2]杨旭东,陈亚军,师春生,等.球磨工艺对原位合成碳纳米管增强铝基复合材料微观组织和力学性能的影响[J].材料工程,2017,45(9)：93-100.

[3]姜艳,王天爽,王佼,等.拉伸载荷作用下含有裂纹缺陷的碳纳米管增强镁基复合材料应力分布分析[J].人工晶体学报,2017,46(6)：1184-1190.