高强高导电层状CNTs/Cu复合材料的制备与性能研究

High energy ball milling and spark plasma sintering will be used to prepare carbon nano tubes (CNTs) reinforced copper matrix composite, and accumulative roll bonding (ARB) will be innovatively used to severely deform the composite after sintering. The purpose of this project is to obtain lamellar CNTs/Cu composite with CNTs evenly distributed along the rolling direction in a two dimensional plane, which possesses both high strength and high electrical conductivity. Research will focuse on (1) the effects of the electroless deposition of Ni on the surface of CNTs, the particle size of copper powder and the process parameters of ball milling and sintering on the dispersion of CNTs in the matrix and the interfacial bond strength between them; (2) the effects of the lamellar structure after ARB on the distribution and alignment of CNTs; (3) the influences of the spatial distribution of boundaries and the arrangement of microstructure after ARB on the mechanical properties and electrical conductivity of the composite. The mechanical properties and the electrical conductivity of the composite will be adjusted and controlled through the control of microstructure, and the quantitative relationships between the microstructure and the mechanical properties and electrical conductivity will be built, respectively. The results of this project will reveal both the strengthening mechanism and conduction mechanism of the composite, and also provide the experiment evidence and theoretical basis for the preparation of CNTs/Cu with excellent comprehensive performance, such as high strength and high electrical conductivity.

本项目拟采用高能球磨工艺结合放电等离子烧结技术，制备碳纳米管增强铜基复合材料，并创新性地采用累积叠轧的方法对烧结后的复合材料继续进行大塑性变形，以期获得具有高强度和高导电性的碳纳米管在二维平面沿轧制方向均匀分布的层状碳纳米管/Cu复合材料。分别研究（1）碳纳米管表面化学镀镍工艺、铜粉的颗粒尺寸、球磨及烧结工艺参数等对碳纳米管在基体中的分散性及其与基体间的界面结合强度的影响；（2）累积叠轧后的层状结构对碳纳米管的分布及排列的影响；（3）累积叠轧后界面的空间分布及组织的排列方式对复合材料力学性能及导电性能的影响。通过对微观结构的控制，调控复合材料的力学性能及导电性能，并分别建立微观结构与力学性能及导电性能之间的定量关系，从而揭示复合材料的强化机制与导电机制，为制备具有高强度及高导电性等优良综合性能的碳纳米管/Cu复合材料提供实验证据和理论基础。

采用不同的方法制备了碳纳米管（CNTs）增强Cu基复合材料。.以碳纳米管（CNTs）薄膜为模板，在不同的镀液中用电沉积法制备了层状合Cu/CNT/Cu复合材料。对复合材料微观结构的观察结果表明，Cu晶核可以渗入CNTs薄膜的孔隙中，在CNTs薄膜与Cu镀层之间形成界面过渡层。分析了Cu镀层在不同镀液中的电沉积行为。电导率测试结果表明，在退火前，酸性镀液中制备的复合材料电导率最高。在900℃退火2h后，所有试样的电导率都大幅增加，酸性电镀液中制备的复合材料的电导率达到2.02×105 S·cm-1。退火过程有利于界面过渡层中孔隙的扩散和湮灭，在退火过程中产生的内应力也可以通过退火释放。提出了一种简单的准经典模型来计算复合材料的电阻。用四点探针法测得的复合材料的电阻值与计算值接近，表明该模型用于描述复合材料的电阻是可行的。.在硫酸铜电解液中，通过电沉积法将Cu沉积在巴基纸上，制备了Cu/巴基纸复合材料。通过酸化和氧化处理，将含氧官能团引入了CNTs的表面。在浸泡处理中，官能团的引入有助于Cu离子在CNTs表面的自发还原。在较小的电流密度（1 mA·cm-2）下沉积时，Cu离子能渗透到巴基纸的网状结构中并在CNTs表面均匀形核，从而形成一个较厚的过渡层。功能化也提高了Cu在CNTs上的形核率。当电流密度为1 mA·cm-2时，Cu/氧化巴基纸复合材料的电导率达到4.09×105 S·cm-1，为纯Cu的76%。所有的复合材料的载流量与电镀制备的纯Cu相比均明显提高。Cu/氧化巴基纸复合材料的最大载流量为15437 A·cm-2，分别比纯Cu和Cu /原始巴基纸复合材料高65%和14%。良好的界面结合和过渡层形成的网状CNTs结构是Cu/巴基纸复合材料获得较高的电导率和高载流量的原因。.结合复合电沉积法和放电等离子烧结法制备了CNTs/Cu基复合材料。在高的烧结温度下，CNTs与Cu基体之间形成了互扩散过渡区，微层状结构和强的界面结合使复合材料获得了平衡的强度和塑性。该方法可用于制备需要兼顾强度和塑性的复合材料，有利于扩大该类复合材料应用范围。