畢建聰， 畢麗萍

（1.黑龍江科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150022；2.長春市城市科學(xué)研究所，長春130042）

銅包石墨粉體的制備及表征

畢建聰1， 畢麗萍2

（1.黑龍江科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150022；2.長春市城市科學(xué)研究所，長春130042）

為簡化銅包石墨粉體的制備工藝，提高鍍銅質(zhì)量，選用固定碳質(zhì)量分數(shù)大于99%的天然石墨粉作為原料，在鍍液組成確定的前提下，采用自行設(shè)計的電鍍裝置進行超聲電鍍，制備銅包石墨復(fù)合粉體。利用SEM對粉體的微觀形貌進行表征。結(jié)果表明，超聲施鍍60 min，能較好地解決石墨顆粒的團聚問題，改善鍍銅效果；銅呈細小顆粒狀聚集附著在石墨的表面，包覆效果良好。該研究為銅包石墨粉體制備提供了新方法。

銅包石墨粉；超聲電鍍；微觀形貌

0　引 言

我國是石墨資源大國，石墨的儲量、產(chǎn)量和出口量均居世界首位［1］。石墨是一種重要的無機非金屬材料，它不僅可以單獨作為原材料應(yīng)用于多個領(lǐng)域，而且可以與其他金屬或非金屬材料復(fù)合，得到性能各異的復(fù)合材料［2］。特別是石墨與金屬復(fù)合制備金屬包覆型復(fù)合材料［3］，近年來受到許多學(xué)者的廣泛關(guān)注。Hu等［4］采用化學(xué)鍍的方法制備了銅包石墨復(fù)合粉體，研究發(fā)現(xiàn)，該粉體可與銅粉混合制備性能優(yōu)異的碳刷。徐峰等［5］采用粉末冶金方法制備了鍍銅石墨-鐵基復(fù)合材料，石墨表面經(jīng)過化學(xué)鍍銅處理后，石墨-鐵基間界面結(jié)合強度明顯增強，摩擦系數(shù)降低，摩擦磨損性能提高了20%～30%。

目前，對石墨進行化學(xué)鍍銅通常采用甲醛還原法，將銅還原出來并沉積在石墨粉體的表面。Lee等［6-7］采用此方法對石墨粉進行化學(xué)鍍銅，得到了較為純凈的銅鍍層。但是，這種方法需要對石墨粉進行較為復(fù)雜的鍍前處理，工藝繁瑣，也不經(jīng)濟。筆者利用超聲波裝置進行均勻混合攪拌解決石墨粉團聚和陰極表面結(jié)塊的問題，優(yōu)化電鍍時間及超聲參數(shù)，以期簡化工藝流程、提高鍍銅質(zhì)量。

1　實 驗

1.1儀器與設(shè)備

實驗設(shè)備有DHG-9070A型電熱鼓風(fēng)干燥箱、VGT-1620T型超聲儀、DK-98-ⅡA型恒溫水浴鍋、QM-BP型行星球磨機及自制電鍍裝置。

電鍍裝置選用金屬不銹鋼作為陰極，使之與直流電源的負極相連，將石墨作為陽極與直流電源的正極相連。陰極與陽極均浸入鍍液中，鍍液中含有被鍍金屬的鹽類，并添加一些其他添加劑。當(dāng)直流電源與鍍槽接通時，鍍液中就有電流通過。調(diào)解變阻器的阻值，控制鍍液的溫度，就可進行電鍍實驗。實驗中控制電壓為10 V，施鍍溫度為60℃。

1.2原料與試劑

實驗原料為裝載量5 g的石墨粉，電鍍液的組成為CuSO425 g、NaH2PO2·H2O 10 g、濃H2SO410 mL、冰醋酸15 mL、十二烷基苯磺酸鈉200 mg。

1.3制備方法

準(zhǔn)確稱取硫酸銅、次亞磷酸鈉及冰醋酸，加入少量蒸餾水溶解并攪拌均勻配置鍍液。然后稱取處理后的石墨粉體，將其加入到濃硫酸中。超聲處理30 min后移入電鍍液，再加入蒸餾水，直至達到計算體積。將所得電鍍液加入到超聲電鍍裝置中，開啟直流電鍍電源和超聲裝置，調(diào)節(jié)至所需的電壓和超聲功率。電鍍時間為1 h，電壓為10 V。至鍍銅反應(yīng)結(jié)束后，關(guān)閉電源。電鍍結(jié)束后，用質(zhì)量分數(shù)為1%的苯并三氮唑（BTA）酒精溶液作為鈍化劑進行鈍化，溫度50～60℃，時間5～15 min。用蒸餾水沖洗至中性，清洗分離后再常溫陰干，便得到銅包石墨粉體試樣。

2　結(jié)果與討論

2.1電鍍工藝參數(shù)的影響

2.1.1施鍍時間的影響

在鍍液總體積一定，且CuSO425 g、NaH2PO2· H2O 10 g、石墨粉裝載量5 g、濃硫酸10 mL、十二烷基苯磺酸鈉200 mg、冰醋酸15 mL、電壓10 V、超聲頻率20 kHz、溫度60℃的條件下，不同施鍍時間對石墨粉鍍銅效果的影響如圖1所示。

圖1　施鍍時間對復(fù)合粉體銅含量的影響Fig.1 Effect of plating time on Cu content in composite powder

由圖1可見，隨著施鍍時間的延長，銅包石墨復(fù)合粉體含銅量逐漸提高。當(dāng)施鍍時間達到60 min時，銅質(zhì)量分數(shù)達到最高，為68%，此后隨著時間的延長，粉體中含銅量逐漸降低。綜合考慮實驗效率及實驗效果等因素，將電鍍時間設(shè)定為60 min。

2.1.2超聲的影響

在鍍液的總體積一定、電壓10 V、溫度60℃、電鍍時間60 min的條件下，考察超聲對石墨鍍銅效果的影響。通過實驗可知，如果不經(jīng)超聲而直接進行電鍍，由于只有表面活性劑對石墨顆粒起到分散作用，往往分散得不夠充分，因此，石墨顆粒通常會在鍍液中發(fā)生團聚，形成銅對多個石墨顆粒的整體包覆。同時，陰極附近的石墨顆粒也會形成吸附性較強的銅鍍層，影響整體鍍層的均勻性。在相同的實驗條件下，采用超聲鍍銅時，上述問題會得到較好的改善。原因在于，超聲的振動會將石墨顆粒更好地分散在電解液中，有效減少石墨顆粒的團聚，有利于獲得良好的電鍍效果。

2.2微觀形貌分析

2.2.1石墨粉原樣

利用SEM對未經(jīng)電鍍處理的石墨粉原樣進行形貌表征。石墨原樣的SEM照片如圖2所示。

從圖2可以看到，石墨原樣呈典型的鱗片狀結(jié)構(gòu)，片層較為光滑平整，但是片層大小不均一；片層表面并不平整，而是凹凸不平，片層的邊緣也有刻蝕現(xiàn)象，因而片層應(yīng)具有較大的表面能，這對于銅離子在片層上的吸附及沉積是有利的。

圖2　石墨粉原樣SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM photos of graphite powder

2.2.2未施加超聲的銅包石墨粉

未施加超聲的銅包石墨粉體的SEM照片如圖3所示。從圖3可見，由于沒有加入超聲而直接進行電鍍，石墨顆粒分散得不夠充分，因此，在鍍液中發(fā)生團聚，形成銅對多個石墨顆粒的整體包覆，鍍層的均勻性較差。

2.2.3施加超聲的銅包石墨粉

在超聲施鍍60 min、其他實驗條件一定的情況下制備銅包石墨粉，其SEM照片如圖4所示。

從圖4中可以清晰地看到，石墨粉體的表面被銅鍍層包覆，鍍層較為光滑平整，并且?guī)缀蹩床坏接惺垠w表面，說明鍍覆較為完全。同時也可以看到，不同部位的鍍層厚度變化很小，表明鍍層非常均勻，整體鍍覆效果很理想。

圖3　未施加超聲的鍍銅石墨粉SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM photos of Cu-coated graphite powders w ithout ultrasonic vibration

圖4　銅包石墨粉SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM photos of Cu-coated graphite powders

3　結(jié) 論

（1）在鍍液配置及石墨粉體裝載量確定的條件下，隨著電鍍時間的延長，復(fù)合粉體中含銅量先逐漸提高后又降低，綜合考慮，電鍍時間以60 min為宜。

（2）超聲電鍍使石墨顆粒在鍍液中分散更為均勻，可有效防止石墨粉體的團聚及改善電極吸附引起的共沉積結(jié)塊現(xiàn)象。

（3）CuSO425 g、CH3COOH 15 mL、濃H2SO410 mL、NaH2PO2·H2O 10 g、十二烷基苯磺酸鈉200 mg、石墨粉5 g、電壓10 V、超聲頻率20 kHz、鍍液溫度60℃、電鍍時間60 min的實驗條件下制備的石墨粉體，鍍銅效果良好。

［1］ 高麗敏，畢建聰，趙志鳳.天然鱗片石墨制備納米石墨片的工藝研究［J］.黑龍江科技學(xué)院學(xué)報，2013，23（6）：540-543.

［2］ 許少凡，王 彪，王成福.鍍銅石墨-銀基復(fù)合材料的制備與性能研究［J］.兵器材料科學(xué)與工程，2005（2）：19-21.

［3］ 劉 江.金屬復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.金屬功能材料，2008，15（1）：44-47.

［4］ HU Z L，CHEN Z H，XIA JT，et al.Properties of electric brushes made with Cu-coated graphite composites and with copper powders［J］.Transactions of the NonferrousMetals Society of China，2007，17（S1）：1060-1064.

［5］ 徐 峰，王緒然，馮小明，等.石墨表面鍍銅對鐵基粉末復(fù)合材料摩擦性能影響的研究［J］.鑄造技術(shù)，2007，28（8）：1103-1104.

［6］ LEE PK.High-current brush material development，Part I：Sintered metal-coated graphite［J］.Components，Hybrids，and Manufacturing Technology，1980，3（1）：4-8.

［7］ 李長青，王振廷，趙國剛.化學(xué)鍍銅石墨粉及其銅基復(fù)合材料的性能［J］.黑龍江科技學(xué)院學(xué)報，2011，21（5）：349-352.

（編輯荀海鑫）

Preparation and characterization of Cu-coated graphite powders

BI Jiancong1， BILiping2
（1.School of Materials Science&Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China；2.Changchun Institute of Urban Science，Changchun 130042，China）

This paper is an effort to study the simplification of the preparation techniques of Cu-coated graphite powder and improvement in the quality of copperizing.The research consists of using raw materials formed by natural graphite powder with fixed carbon content greater than 99%，determining the composition of plating solution，preparing Cu-coated graphite powder using self-designed electroplating apparatus tailored for ultrasonic electroplating，and characterizing themicromorphology of the powders by SEM.The results show that ultrasonic plating 60 min affords a better solution to the agglomeration of graphite particles，contributing to the improved copper plating；copper exhibits a finer granular aggregates attached on the surface of graphite，producing a better coating effect.This study would serve as a new method for the preparation of Cu-coated graphite powder.

Cu-coated graphite powders；ultrasonic electroplating；micromorphology

10.3969/j.issn.2095-7262.2014.05.012

TQ127.1；TQ153.1

2095-7262（2014）05-0496-04

A

2014-08-25

哈爾濱市科技局科技創(chuàng)新人才研究專項資金項目（2011RFQXG024）

畢建聰（1976-），男，吉林省公主嶺人，講師，博士，研究方向：無機非金屬材料，E-mail：bjc527@126.com。