凝胶浇注法制备的纳米铜粉在导电胶中的应用研究.docVIP

凝胶浇注法制备的纳米铜粉在导电胶中的应用研究 　　纳米铜粉由于具有小尺寸效应、表面效应和量子隧道效应，在力学、磁学、化学、电学等方面表现出很多特殊的性质，被广泛应用于润滑油添加剂、电磁屏蔽材料、催化和导电材料等领域中相比于银高昂的价格，铜的价格较低，导电性能却与银的相近，因此近些年来性能稳定、成本低廉的纳米铜粉导电胶是研究开发的热点内容之一。 　　纳米铜粉的制备方法主要有物理法和化学法两大类，物理法主要有物理气相沉积法、电爆炸法、gamma;射线辐照法等;化学法主要有电解法、水热法以及液相还原法等。物理法的生产成本较高，不利于实现大规模的工业化生产，如物理气相沉积法所需的原料稀有气体价格昂贵，电爆炸法和gamma;射线辐照法都需要使用复杂的仪器设备。而化学法由于工艺简单、产率较高，是目前被广泛采用的制备纳米铜粉的方法，但随着实际应用中对纳米铜粉性能要求的不断提高，高纯度、高分散、粒径分布范围窄的纳米铜粉的制备仍是一个技术难点。 　　本文作者尝试采用一种新颖的凝胶浇注法制备纳米铜粉，并对其进行表面改性处理。然后以预处理后的纳米铜粉为导电填料，以低黏度双酚A 型环氧树脂(E51)为载体制备纳米铜粉导电胶。表征了所得纳米铜粉导电胶的导电性能与连接强度，同时研究了经预处理后纳米铜粉的抗氧化性能和纳米铜粉添加量对其导电性能和连接强度的影响。 　　1 实验 　　1.1 实验装置 　　实验中所用主要仪器设备有：数显水浴锅、鼓风干燥箱、箱式电阻炉、管式气氛炉、同步热分析仪(德国耐驰STA449F3 型)、X 射线衍射仪(D/MAX2500V型)、透射电镜(JEMminus;2100F 型)、扫描电镜(JSMminus;6490LV型)、万用电表(Agilent U3606A)、美特斯电子万能试验机(CMT5105 型)。 　　1.2 纳米铜粉的制备 　　将分析纯的硝酸铜与石墨按摩尔比为1:1混合后，加入到浓度为20%(质量分数)的丙烯酰胺(AM)单体和N,N- 亚甲基双丙烯酰胺(MBAM) 交联剂(m(AM):m(MBAM)=20:1)组成的混合水溶液中;经过24 h 球磨混合得到均匀悬浮液，随后向悬浮液中加入适量的引发剂和催化剂，将悬浮液置于60 ℃恒温水浴锅中加热获得湿凝胶;将该湿凝胶在干燥箱中110 ℃干燥脱水后得到干凝胶，再于300 ℃下煅烧30 min 获得由Cu2O和Cu 组成的前驱体粉末;该前驱体粉末在500 ℃的H2 气氛中还原2 h，最终制备出纳米铜粉。 　　1.3 纳米铜粉导电胶的制备 　　将上述纳米铜粉加入到预先配制的一定浓度的硅烷偶联剂KH550 溶液中，采用电动搅拌使偶联剂与纳米铜粉充分接触，静置、干燥后获得预处理后的纳米铜粉;以双酚A 型环氧树脂(E51)为载体，按照一定质量比加入预处理后的纳米铜粉，超声分散30 min，使纳米铜粉在树脂中分布均匀，再向其中加入一定量的固化剂和稀释剂、除泡剂、促进剂等添加剂，充分搅拌混合，最终制得纳米铜粉导电胶。 　　1.4 测试和表征 　　分别采用X 射线衍射仪(XRD)和透射电镜(TEM)对制得纳米铜粉的物相、粒径分布以及显微组织进行表征;采用热重minus;差热分析仪(TGminus;DSC)对经硅烷偶联剂KH550 预处理前后的纳米铜粉的抗氧化性能进行分析;将制得的纳米铜粉导电胶均匀填充于用耐热胶带固定，间距为2 mm 的载玻片之间，在载玻片两端分别埋入一根短银丝，在烘箱中于150 ℃固化2 h 后，采用万用电表(Agilent U3606A)通过预埋在两端的短银丝测量所得纳米铜粉导电胶试样的电阻，并根据公式rho;=RS/L 计算得出导电胶试样的体积电阻率;按照国家标准GB 7124minus;86 对纳米铜粉导电胶的连接强度进行测试;采用扫描电镜(SEM)对纳米铜粉导电胶的显微组织进行了观测。 　　2 结果与讨论 　　2.1 铜粉晶体结构的分析与显微组织的表征 　　XRD 谱中存在3 个明显的衍射峰，分别对应铜的(111)，(200)，(220)这3 个晶面，说明制得粉末为面心立方结构的单质铜。根据Scherrer 公式，计算得出纳米铜粉颗粒的平均晶粒尺寸约为20 nm。为制得纳米铜粉的TEM 像，所得纳米铜粉颗粒呈类球形、分散性好、平均粒径约为60 nm。可见所得纳米铜粉具有多晶结构。有研究报道表明，纳米铜粉由于具有较高的表面活性，其熔点可能会降至400 ℃以下，这给纳米铜粉的制备带来了一定的难度。在本实验中，通过对前躯体粉末在500 ℃还原，得到了粒径为60 nm左右的铜粉，这可能是由于反应体系中引入了石墨，使铜粉成核势垒增大，且石墨除去后留下的空