铜具有高的导电性与高的热导率、良好的可加工性以及较低的成本,广泛应用于电力输送、电子封装散热及工程结构材料领域。然而,铜的力学性能较低,使得铜在实际应用过程中由于强度不足而容易失效,大大限制了其应用。碳纳米管( CNTs)是人类迄今为止发现的最高强度的纤维。碳纳米管的杨氏模量与金刚石相当,强度约为钢的100倍,而密度却只有钢的1/6。碳纳米管由于有以上优异的性能,故成为理想的强化相材料,将其添加到铜基体中,可望制备具有高强度高导电综合性能的铜基复合材料,从而解决铜的力学性能较低的问题。
目前有关碳纳米管作为复合材料的强化相方面的研究,主要集中在碳纳米管增强聚合物和陶瓷等非金属基体,碳纳米管强化铜和铝等金属基体的研究进展则较小,主要是因为碳纳米管较难实现在金属基体中的良好分布。制约碳纳米管增强金属基复合材料发展的另一个重要因素是碳纳米管与金属基体之间弱的界面润湿性。弱的界面润湿性导致碳纳米管与基体界面结合强度较低,大大影响了复合材料的力学和电学性能。在碳纳米管表面采用化学法镀 Cu、Ni 或 Ag是目前常用的改善碳纳米管与金属界面润湿性的方法,然而传统化学镀工艺过程复杂,镀液用化学试剂繁多,在一定程度上限制化学镀工艺的应用。
北京科技大学采用羰基热分解工艺在碳纳米管表面进行镀W处理,旨在改善碳纳米管与Cu之间的界面结合。采用球磨工艺对镀W碳纳米管(W-CNTs)与Cu 粉进行混粉,将混合后的粉末进行放电等离子体烧结制备W-CNT/Cu复合材料。对所获制品的实验结果表明,当W-CNTs质量分数低于1%时,烧结体抗拉强度随着 W-CNTs 含量的增加而增加,当W-CNTs 质量分数为 1% 时,抗拉强度达到最大值,较纯 Cu 烧结体抗拉强度提高了103.6%。复合材料抗拉强度的大幅提高一方面归因于 W-CNTs在基体中的良好分散,使得W-CNTs起到了强化相的作用; 另一方面是碳纳米管表面的金属W层改善了碳纳米管与Cu基体之间的界面润湿性,提高了W-CNTs 与基体的界面结合强度。当复合材料受外力拉伸时,良好的界面结合可以有效地将应力从基体传递给高强度的碳纳米管,从而大大延缓复合材料的断裂。但是,当 W-CNTs质量分数大于1%时,W-CNTs在基体中分散变得困难,易形成W-CNTs团聚体。团聚体内存在的大量孔隙容易引起应力集中,所以复合材料抗拉强度下降。另外,W-CNT/Cu质量分数为1%的复合材料的平均电导率较烧结纯 Cu 仅降低15.9% ,与其他工艺制备的CNTs / Cu复合材料相比,具有更高的电导率值; 而且,碳纳米管是一种导体,相对于非导体Al2O3陶瓷等而言,对复合材料的导电性有利。这说明用该工艺制备的镀钨碳纳米管增强铜基复合材料在导电性能上也有一定的优势。