基于催化剂微合金化制备Cu-CNTs原位复合材料的研究

Carbon nanotubes reinforced Cu matrix composites fabricated by in-situ chemical mapor deposition have attracted much attention because of their excellent expected performance and industrialization prospects.In the preparation process of catalyst dissolved in the copper matrix, the conductivity of the composites is drastically reduced，This bottleneck problem led to the study about composites have no further development. This project in order to solve this problem, Proposed a new idea that design of composite catalyst components, to obtain catalytic + micro-alloying function. Which aging precipitation the catalyst that dissolved in the matrix, and 30% increase in the conductivity of the composite. This project studies of Cu / CNTs interface structure and the catalyst in the matrix solution on the conductive properties of the composites, catalyst in the different preparation aspects of morphology, structure, distribution and precipitation of micro-alloying elements on the conductivity and mechanical properties of composite materials have be study, reveal the catalytic + precipitation action mechanism of composite catalyst, Clarify the intrinsic mechanism, and obtained according to the different requirements of an effective way to control material properties.

利用CVD法制备的CNT原位增强Cu基复合材料由于优异的预期性能和工业化前景备受关注，但制备过程中由于催化剂固溶于基体而使导电率急剧降低的瓶颈问题使其性能研究没有进一步的突破，本项目针对这一问题提出通过复合催化剂实现催化+微合金化作用的全新思路，使固溶于基体的催化剂时效析出，使导电率提高30%左右。本项目研究Cu/CNTs界面结构和催化剂在基体中的固溶度对复合材料导电性能的影响，研究催化剂在不同制备环节中的形态、结构、分布以及及以微合金元素析出对复合材料导电性及力学性能的影响，揭示复合催化剂的催化+析出作用机理,阐明内在机制,并获得根据不同使用要求，调控材料性能的有效途径。

1991年碳纳米管被日本科学家发现以来，由于其本身良好的力学、光学、电学、导热和导磁性，而成为一种综合性能极好的功能材料，被广泛应用于各个领域，尤其是金属基复合材料领域。然而，碳纳米管和金属基体材料有一定的密度差，很难使碳纳米管均匀分布于金属基体中；此外，碳材料和金属基体之间很难相互润湿，这样碳纳米管和金属基体材料之间很难形成具有较高结合力的界面。这两大技术难题，制约着碳纳米管增强金属基复合材料的发展，要制备出综合性能优异的碳纳米管增强金属基复合材料，首先应合理地解决这两大技术难题。.采用化学沉淀法制备具有高催化活性的Cr/Cu催化剂，采用化学气相沉淀法以Cr/Cu为催化剂制备Cu/CNTs复合粉末，得到的复合粉末和纯铜粉均匀混合，采用放电等离子烧结技术制备Cu/CNTs复合材料。.化学气相沉淀法制备Cu/CNTs复合粉末的过程中发现，生长温度、生长时间、反应气氛、反应气体比例、C2H4浓度等工艺参数对碳纳米管的管径、长度、表面洁净程度、石墨化程度影响很大。结果表明，当CVD生长温度为800℃，CVD生长时间为30min，反应气氛为H2，反应气体（Ar:H2:C2H4）为0:24.5:3时，可以生长形貌很好，管径为25-35nm，长度为5-10μm，石墨化程度很高，表面光滑干净，几乎无杂质的以铜为载体的碳纳米管。如果生长温度过高，C2H4的裂解过于剧烈，分解出的活性炭原子沉积于催化剂表面，造成催化剂失活；如果反应温度过低，则催化剂催化效果不佳，生长出来的碳纳米管长径比很小。.不同含量的Cu/CNTs复合粉末充分混粉，经过SPS炉烧结成型，烧结温度为650℃，加载压力为35MPa，保压时间为10min，得到Cu/CNTs复合材料。结果表明，Cu/CNTs复合粉末含量，对复合材料微观组织和综合性能造成很大的影响。Cu/CNTs复合粉末含量过少时，CNTs含量过少，其增强效应不够明显；复合粉末含量过高时，CNTs发生团聚，在复合材料内部形成一定的缺陷，对复合材料组织和性能是不利的；当Cu/CNTs复合粉末含量为20%时，CNTs均匀分布于Cu晶界和界面处，形成结合界面。随Cu/CNTs原位合成复合粉末含量的增加，复合材料密度、致密度和摩擦系数降低，硬度和导电性则先升高再降低。当复合粉末为20%时，复合材料的硬度达到最大值为112.7HV，导电率为85.3%IACS。