納米碳管增強銅基復合材料的設備性能分析

2018-06-28 07:33:46王恩通

王恩通

（呂梁學院化學化工系，山西呂梁 033000）

銅以及銅合金在電子電氣、機械制造領域得到廣泛應用，主要因其優異的導熱性、導電性、耐腐性、機械性等。但銅以及銅合金華存在較多缺陷，例如室溫下強度低、磨損性能差等，同時銅以及銅合金很難同時擁有較高的導電性與強度[1]。

隨著現代工業的快速發展，對銅以及銅合金在引用中的導熱性、導電性、強度等提出了更高的要求。因此在其中適當的引用增強相制備成復合材料，能夠發揮基體與增加之間的協同作用，納米碳管增強銅基復合材料成為當前一項研究熱點[2-3]。

1 納米碳管增強銅基復合材料的設備性能實驗

在納米碳管增強銅基復合材料的設備性能實驗中主要采用純度為99.8%、松裝密度為1.2～1.7、粒度為-300目的電解銅粉。以及碳納米管（CNTs）、十二烷基硫酸鈉（化學純）、酒精（分析純）。

實驗采用轉速參數為300 r/min的行星式球磨機進行濕磨混合配料，其中球磨時間為2.5小時、選擇1∶1的球料比。實驗在800℃的熱壓溫度下進行，熱壓3.9噸，時間參數為3小時。

用新鮮的三氯化鐵鹽酸酒精溶液對復合材料進行時間為15s的腐蝕，利用光學顯微鏡對復合材料進行分析。

顯微鏡下，碳納米管增強銅基復合材料，如下圖1與下圖2所示：

圖1 CNTso/Cu復合材料顯微組織

圖1為碳納米管增強銅基顯微材料，圖1為無碳納米管顯微組織，圖2為1.5%含量碳納米管顯微組織。通過圖2可以看出，復合材料的光學金向顯微組織主要分為純銅基體與團狀碳納米管兩部分，并且復合材料中純銅的基體相呈連續狀。其中深色的圓形物質為CNTs圖，而灰色部分是基體純銅相。

通過上圖可以分析出，復合材料中存在晶體形態不同但組織保持連續性的特點。

在實驗中可以看出，若CNTs含量達到一定比例時，不同壓制方向的納米復合材料中金相組織也不同。

納米碳管增強銅基復合材料硬度與碳納米管含量關系，如圖2所示：

圖2 復合材料硬度與碳納米管含量關系

由上圖可知，復合材料的硬度主要由碳納米管含量決定[7]。而隨著其中CNTs的增漲，材料硬度會逐漸降低，這主要因為復合材料中會有著一定的碳納米管偏聚現象存在，這些偏聚對復合造成連續割裂。

因為碳納米管的加入，偏聚作用會使銅基體組織緊密度降低，從而導致復合材料硬度降低。并且由于復合材料中納米管與銅基體材料無法達到較好的潤濕性，導致復合硬度下降。

熱膨脹系數隨納米碳管體積分數的變化，如圖4所示：

圖3 熱膨脹系數隨納米碳管體積分數的變化

根據上圖表明，復合材料的熱膨脹系數遠遠低于純銅。且隨著復合材料中納米碳管體積分數的增加，熱膨脹系數會逐漸下降。

在復合加熱過程中，熱冷卻存在滯后現象。材料的納米碳含量越高，這種滯后現象越明顯。

復合電阻率，復合材料導電率較好，相比與純銅來說僅為其1/2～2/3。復合材料導電率主要由納米碳管體積分數決定，隨著材料中納米碳管體積分數的降低，導電率隨之增加。納米碳管軸向有著較好的導電率，且完整的納米碳管導電率遠遠高于銅，所以在復合材料中，納米碳管體積分數對導電率影響很小。

為了測試納米碳管增強銅基復合材料設備與傳統材料設備性能區別，設計了對比實驗。選擇材料分別為納米碳管增強銅基復合材料與傳統材料的設備進行多項性能測試。

為保證復合材料與傳統材料設備性能檢測的準確性，通過對兩種不同材料設備包括硬度、熱膨脹性、導電性等綜合性能進行對比，進行實驗，結果如下。

將復合材料與傳統材料設備性能進行綜合檢測，隨著時間變化，實驗結果如下圖4所示：

圖4 不同材料設備性能對比試驗結果

從上圖可以看出，雖然傳統材料設備性能雖然性能較好，但隨著時間變化，傳統材料設備綜合性能逐漸下降。而復合材料設備相對于傳統材料設備來說，綜合性能指數較高，且隨著時間變化較小。

由此可以看出納米碳管增強銅基復合材料設備有著更好的綜合性能。

在實驗過程中，通過對碳納米管增強基材料的分析可以得出，相對于純銅材料來說，復合材料硬度較高，且熱膨脹與導電性能較好。因此所制成的設備能夠在實際應用中得到更好的發展。

[1]董夢瑤,劉春太,呂廣超,等.碳納米纖維對玻纖增強環氧樹脂基復合材料機械及耐磨性能的影響[J].玻璃鋼/復合材料,2016,46(6)：16-20.

[2]楊旭東,陳亞軍,師春生,等.球磨工藝對原位合成碳納米管增強鋁基復合材料微觀組織和力學性能的影響[J].材料工程,2017,45(9)：93-100.

[3]姜艷,王天爽,王佼,等.拉伸載荷作用下含有裂紋缺陷的碳納米管增強鎂基復合材料應力分布分析[J].人工晶體學報,2017,46(6)：1184-1190.