王恩通

（呂梁學(xué)院 化學(xué)化工系，山西 呂梁 033000）

銅以及銅合金在電子電氣、機(jī)械制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，主要因其優(yōu)異的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、耐腐性、機(jī)械性等。但銅以及銅合金華存在較多缺陷，例如室溫下強(qiáng)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(dǎo)電性與強(qiáng)度[1]。

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，對銅以及銅合金在引用中的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、強(qiáng)度等提出了更高的要求。因此在其中適當(dāng)?shù)囊迷鰪?qiáng)相制備成復(fù)合材料，能夠發(fā)揮基體與增加之間的協(xié)同作用，納米碳管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料成為當(dāng)前一項(xiàng)研究熱點(diǎn)[2-3]。

1 納米碳管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的設(shè)備性能實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

在納米碳管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的設(shè)備性能實(shí)驗(yàn)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(xué)純）、酒精（分析純）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用轉(zhuǎn)速參數(shù)為300 r/min的行星式球磨機(jī)進(jìn)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(shí)驗(yàn)在800℃的熱壓溫度下進(jìn)行，熱壓3.9噸，時間參數(shù)為3小時。

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

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

顯微鏡下，碳納米管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，如下圖1與下圖2所示：

圖1 CNTso/Cu復(fù)合材料顯微組織

圖1為碳納米管增強(qiáng)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(fù)合材料的光學(xué)金向顯微組織主要分為純銅基體與團(tuán)狀碳納米管兩部分，并且復(fù)合材料中純銅的基體相呈連續(xù)狀。其中深色的圓形物質(zhì)為CNTs圖，而灰色部分是基體純銅相。

通過上圖可以分析出，復(fù)合材料中存在晶體形態(tài)不同但組織保持連續(xù)性的特點(diǎn)。

在實(shí)驗(yàn)中可以看出，若CNTs含量達(dá)到一定比例時，不同壓制方向的納米復(fù)合材料中金相組織也不同。

1.4 復(fù)合材料設(shè)備硬度

納米碳管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料硬度與碳納米管含量關(guān)系，如圖2所示：

圖2 復(fù)合材料硬度與碳納米管含量關(guān)系

由上圖可知，復(fù)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?yàn)閺?fù)合材料中會有著一定的碳納米管偏聚現(xiàn)象存在，這些偏聚對復(fù)合造成連續(xù)割裂。

因?yàn)樘技{米管的加入，偏聚作用會使銅基體組織緊密度降低，從而導(dǎo)致復(fù)合材料硬度降低。并且由于復(fù)合材料中納米管與銅基體材料無法達(dá)到較好的潤濕性，導(dǎo)致復(fù)合硬度下降。

1.5 復(fù)合的熱膨脹性能

熱膨脹系數(shù)隨納米碳管體積分?jǐn)?shù)的變化，如圖4所示：

圖3 熱膨脹系數(shù)隨納米碳管體積分?jǐn)?shù)的變化

根據(jù)上圖表明，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于純銅。且隨著復(fù)合材料中納米碳管體積分?jǐn)?shù)的增加，熱膨脹系數(shù)會逐漸下降。

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

1.6 復(fù)合材料導(dǎo)電率

復(fù)合電阻率，復(fù)合材料導(dǎo)電率較好，相比與純銅來說僅為其1/2～2/3。復(fù)合材料導(dǎo)電率主要由納米碳管體積分?jǐn)?shù)決定，隨著材料中納米碳管體積分?jǐn)?shù)的降低，導(dǎo)電率隨之增加。納米碳管軸向有著較好的導(dǎo)電率，且完整的納米碳管導(dǎo)電率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于銅，所以在復(fù)合材料中，納米碳管體積分?jǐn)?shù)對導(dǎo)電率影響很小。

2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析

為了測試納米碳管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料設(shè)備與傳統(tǒng)材料設(shè)備性能區(qū)別，設(shè)計(jì)了對比實(shí)驗(yàn)。選擇材料分別為納米碳管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料與傳統(tǒng)材料的設(shè)備進(jìn)行多項(xiàng)性能測試。

2.1 試驗(yàn)過程

為保證復(fù)合材料與傳統(tǒng)材料設(shè)備性能檢測的準(zhǔn)確性，通過對兩種不同材料設(shè)備包括硬度、熱膨脹性、導(dǎo)電性等綜合性能進(jìn)行對比，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如下。

2.2 結(jié)果分析

將復(fù)合材料與傳統(tǒng)材料設(shè)備性能進(jìn)行綜合檢測，隨著時間變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖4所示：

圖4 不同材料設(shè)備性能對比試驗(yàn)結(jié)果

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

由此可以看出納米碳管增強(qiáng)銅基復(fù)合材料設(shè)備有著更好的綜合性能。

3 結(jié)語

在實(shí)驗(yàn)過程中，通過對碳納米管增強(qiáng)基材料的分析可以得出，相對于純銅材料來說，復(fù)合材料硬度較高，且熱膨脹與導(dǎo)電性能較好。因此所制成的設(shè)備能夠在實(shí)際應(yīng)用中得到更好的發(fā)展。

[1]董夢瑤,劉春太,呂廣超,等.碳納米纖維對玻纖增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料機(jī)械及耐磨性能的影響[J].玻璃鋼/復(fù)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(qiáng)鋁基復(fù)合材料微觀組織和力學(xué)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(qiáng)鎂基復(fù)合材料應(yīng)力分布分析[J].人工晶體學(xué)報(bào),2017,46(6)：1184-1190.