碳纳米管增强铜基复合材料的注射成形方法制备、结构与性能

With the effective utilization of high length-diameter ratio, high strength , high harderness, high thermal conductivity of carbon nanotubes (CNTs), combining with the advantages of powder injection molding with controlable dispersion of CNTs in the polymer binder， no aliquation behavor resulted from powder mixing or casting and easy preparation for near full density products, as well as high-usage raw materials and easy production at large scale, the new kinds of CNTs reinforced copper matrix composites will be prepared by powder injection molding method. Design and preparation of composite binder used for CNTs/Cu composite will be explored by investigating structural evolution of the molding,debinding and sintering. The influence of experimental parameters, composition and on performances will be studied and the theoretical mechanism will be developed. This new method to prepare this kind of nanocomposites will be effective to obtain single dispersion of CNTs with uniform distribution under enough loading of CNTs in the matrix, which is benefial to maximum utilization of high performance for CNTs. This new method will be used as effective way to produce high performance CNTs/Cu namicomposites with mass production.

本项目以制备高性能的碳纳米管增强铜基复合材料为目标，将充分利用碳纳米管长径比大、高强高韧和导热性好，以及容易在聚合物中实现均匀分布的单分散结构等特点，同时利用粉末注射成形技术所具有的既能有效克服粉末复合或铸造时的偏析现象，又能获得接近全致密的产品，且原料利用率高、易规模化生产的优势，选择粉末注射成形技术运用于新型的碳纳米管/铜复合材料中。通过考虑相容性、流动性、保形性、脱脂性等因素，设计和制备新型的碳纳米管/铜基复合材料所适用的粘结剂体系，考察成形、脱脂、烧结过程中的结构演变规律，探明各组分种类、含量、工艺参数和工艺条件对性能的影响，提出新的理论机制。新的技术路线有望实现足够含量下的碳纳米管在金属基体中均匀分布的单分散状态，从而真正发挥碳纳米管的优异性能。这一方法将提供一条制备高性能碳纳米管/铜基复合材料，且适合规模化生产的新颖和有效的技术路线。

围绕对纳米碳材料的修饰和应用性能优化，设计和实施了新颖的纳米复合技术和碳基杂化纳米结构，并研究它们的力学、热物理和储能性能。（1）将碳纳米管均匀分散在蜡基系粘结剂中，有效提高粘结剂的结晶度，从而提高生坯的强度和保形性。经过混料、注射成型、脱脂、热烧结工艺后得到微观组织分布均匀的样品，随后进行的热轧制处理，不但产生显著的加工硬化效果，而且碳纳米管也会分散得更加均匀。复合材料热导率达257.216 W/(m•k)，且热膨胀系数仅为6.9Χ10-6/K，优于现有热沉材料。（2）采用溶液燃烧法制备泡沫状纳米多孔结构的铜氧化物，将其与氧化石墨烯通过静电组装制备复合粉末，还原后经冷压成型烧结制备复合块材。这种片状结构能对氧化石墨烯进行全面的包覆，从而实现石墨烯的均匀分散。通过超声化学形成碳纳米管/氧化石墨烯杂化体系，把铜离子连接到杂化体系表面，原位制备出了内嵌多壁碳纳米管/石墨烯氧化亚铜/超细复合球。经还原及热压烧结得铜基复合块体材料，碳纳米管的加入使热导率保持较高，达到243.5 W/(m•k)，且热膨胀系数远小于纯铜（7.7Χ10-6/K），可望在电子封装领域得到应用。（3）通过喷雾干燥-煅烧-还原的工艺制备了碳纳米管/铜（CNTs/Cu）复合粉体以及还原氧化石墨烯/铜（RGO/Cu）复合粉体，以冷等静压成形(CIP)制备了CNTs/Cu复合材料，复合材料电导率在高达87.26%IACS的情况下，材料硬度和热导率分别提高到了105.24HV、407.84 W/(m·K)，可望应用于高散热要求的电子封装材料和热沉材料领域。利用SPS方法制备成功制备了RGO/Cu复合材料， SPS烧结得到几乎全致密复合材料。（4）采用浮动催化法通过浓度效应，实现了掺氮定向碳纳米管(NACNTs)阵列的可控制备，并构造了NACNTs-SnS2、NACNTs-S和NACNTs-MoS2同轴三维复合结构，所产生的协同效应使其电化学性能得到显著提升。（5）以聚合物为前驱体，结合催化石墨化和活化技术，制备了一系列多级孔结构石墨化炭微球。这一结构兼具多级孔结构、良好的导电性、大的比表面积以及牢固的结构，表现出杰出的大电流性能，在150 A /g 的大电流下，仍有138 F /g，与5 A /g时的电容相比，保持率达到94%。这一技术路线为制备聚合物为前驱体的储能用高性能碳电极材料提供了有效的方法。