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?jǐn)?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(jìn)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(jìn)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(xì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(fù)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(jìn)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(dá)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?jǐn)?shù)為1%的苯并三氮唑（BTA）酒精溶液作為鈍化劑進(jìn)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(dá)到60 min時，銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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。