以硝酸銅、石墨為原料,采用新穎的凝膠澆注法制備納米銅粉,并利用硅烷偶聯劑KH550對制備的納米銅粉進行表面抗氧化處理;然后以納米銅粉為導電填料、以雙酚A型環(huán)氧樹脂(E51)為載體,加入適量的固化劑和稀釋劑、除泡劑、促進劑等制備納米銅粉導電膠。以下是學習啦小編今天為大家精心準備的：凝膠澆注法制備的納米銅粉在導電膠中的應用研究相關論文。內容僅供參考，歡迎閱讀!

　　凝膠澆注法制備的納米銅粉在導電膠中的應用研究全文如下：

　　【摘要】：以硝酸銅、石墨為原料,采用新穎的凝膠澆注法制備納米銅粉,并利用硅烷偶聯劑KH550對制備的納米銅粉進行表面抗氧化處理;然后以納米銅粉為導電填料、以雙酚A型環(huán)氧樹脂(E51)為載體,加入適量的固化劑和稀釋劑、除泡劑、促進劑等制備納米銅粉導電膠。采用X射線衍射(XRD)和透射電鏡(TEM)等對制備銅粉的物相、粒度和形貌等進行表征;對預處理前后的納米銅粉進行熱重與差熱(TG-DSC)分析;并研究納米銅粉添加量對所制備導電膠電阻率和連接強度等性能的影響。結果表明:采用凝膠澆注法可制備高純度、分散性良好、平均粒度約為60 nm的類球形銅粉;經硅烷偶聯劑處理后,納米銅粉的抗氧化性能明顯提高;納米銅粉添加量對所得導電膠的體積電阻率和連接強度有較大影響,納米銅粉添加量為60%(質量分數)的導電膠的體積電阻率為1.7×10-3Ω·cm,連接強度為11.4 MPa。

　　【關鍵詞】： 納米銅粉 凝膠澆注法 導電膠 電阻率 連接強度

　　納米銅粉由于具有小尺寸效應、表面效應和量子隧道效應，在力學、磁學、化學、電學等方面表現出很多特殊的性質，被廣泛應用于潤滑油添加劑、電磁屏蔽材料、催化和導電材料等領域中相比于銀高昂的價格，銅的價格較低，導電性能卻與銀的相近，因此近些年來性能穩(wěn)定、成本低廉的納米銅粉導電膠是研究開發(fā)的熱點內容之一。

　　納米銅粉的制備方法主要有物理法和化學法兩大類，物理法主要有物理氣相沉積法、電爆炸法、γ射線輻照法等;化學法主要有電解法、水熱法以及液相還原法等。物理法的生產成本較高，不利于實現大規(guī)模的工業(yè)化生產，如物理氣相沉積法所需的原料稀有氣體價格昂貴，電爆炸法和γ射線輻照法都需要使用復雜的儀器設備。而化學法由于工藝簡單、產率較高，是目前被廣泛采用的制備納米銅粉的方法，但隨著實際應用中對納米銅粉性能要求的不斷提高，高純度、高分散、粒徑分布范圍窄的納米銅粉的制備仍是一個技術難點。

　　本文作者嘗試采用一種新穎的凝膠澆注法制備納米銅粉，并對其進行表面改性處理。然后以預處理后的納米銅粉為導電填料，以低黏度雙酚A 型環(huán)氧樹脂(E51)為載體制備納米銅粉導電膠。表征了所得納米銅粉導電膠的導電性能與連接強度，同時研究了經預處理后納米銅粉的抗氧化性能和納米銅粉添加量對其導電性能和連接強度的影響。

　　1 實驗

　　1.1 實驗裝置

　　實驗中所用主要儀器設備有：數顯水浴鍋、鼓風干燥箱、箱式電阻爐、管式氣氛爐、同步熱分析儀(德國耐馳STA449F3 型)、X 射線衍射儀(D/MAX2500V型)、透射電鏡(JEM−2100F 型)、掃描電鏡(JSM−6490LV型)、萬用電表(Agilent U3606A)、美特斯電子萬能試驗機(CMT5105 型)。

　　1.2 納米銅粉的制備

　　將分析純的硝酸銅與石墨按摩爾比為1:1混合后，加入到濃度為20%(質量分數)的丙烯酰胺(AM)單體和N,N- 亞甲基雙丙烯酰胺(MBAM) 交聯劑(m(AM):m(MBAM)=20:1)組成的混合水溶液中;經過24 h 球磨混合得到均勻懸浮液，隨后向懸浮液中加入適量的引發(fā)劑和催化劑，將懸浮液置于60 ℃恒溫水浴鍋中加熱獲得濕凝膠;將該濕凝膠在干燥箱中110 ℃干燥脫水后得到干凝膠，再于300 ℃下煅燒30 min 獲得由Cu2O和Cu 組成的前驅體粉末;該前驅體粉末在500 ℃的H2 氣氛中還原2 h，最終制備出納米銅粉。

　　1.3 納米銅粉導電膠的制備

　　將上述納米銅粉加入到預先配制的一定濃度的硅烷偶聯劑KH550 溶液中，采用電動攪拌使偶聯劑與納米銅粉充分接觸，靜置、干燥后獲得預處理后的納米銅粉;以雙酚A 型環(huán)氧樹脂(E51)為載體，按照一定質量比加入預處理后的納米銅粉，超聲分散30 min，使納米銅粉在樹脂中分布均勻，再向其中加入一定量的固化劑和稀釋劑、除泡劑、促進劑等添加劑，充分攪拌混合，最終制得納米銅粉導電膠。

　　1.4 測試和表征

　　分別采用X 射線衍射儀(XRD)和透射電鏡(TEM)對制得納米銅粉的物相、粒徑分布以及顯微組織進行表征;采用熱重−差熱分析儀(TG−DSC)對經硅烷偶聯劑KH550 預處理前后的納米銅粉的抗氧化性能進行分析;將制得的納米銅粉導電膠均勻填充于用耐熱膠帶固定，間距為2 mm 的載玻片之間，在載玻片兩端分別埋入一根短銀絲，在烘箱中于150 ℃固化2 h 后，采用萬用電表(Agilent U3606A)通過預埋在兩端的短銀絲測量所得納米銅粉導電膠試樣的電阻，并根據公式ρ=RS/L 計算得出導電膠試樣的體積電阻率;按照國家標準GB 7124−86 對納米銅粉導電膠的連接強度進行測試;采用掃描電鏡(SEM)對納米銅粉導電膠的顯微組織進行了觀測。

　　2 結果與討論

　　2.1 銅粉晶體結構的分析與顯微組織的表征

　　XRD 譜中存在3 個明顯的衍射峰，分別對應銅的(111)，(200)，(220)這3 個晶面，說明制得粉末為面心立方結構的單質銅。根據Scherrer 公式，計算得出納米銅粉顆粒的平均晶粒尺寸約為20 nm。為制得納米銅粉的TEM 像，所得納米銅粉顆粒呈類球形、分散性好、平均粒徑約為60 nm?？梢娝眉{米銅粉具有多晶結構。有研究報道表明，納米銅粉由于具有較高的表面活性，其熔點可能會降至400 ℃以下，這給納米銅粉的制備帶來了一定的難度。在本實驗中，通過對前軀體粉末在500 ℃還原，得到了粒徑為60 nm左右的銅粉，這可能是由于反應體系中引入了石墨，使銅粉成核勢壘增大，且石墨除去后留下的空位可有效阻止銅粉的聚集長大，最終有利于銅粉顆粒尺寸的減小。

　　2.2 納米銅粉表面改性處理

　　納米銅粉表面活性較高，對外界環(huán)境非常敏感，極易在濕熱空氣中氧化生成不導電的Cu2O 和CuO 而使制得的導電膠失效，因此，對納米銅粉進行抗氧化預處理十分有必要。采用硅烷偶聯劑KH550 對納米銅粉進行表面改性預處理。當溫度變化范圍在200~600 ℃之間時，DSC 曲線中有3 個尖銳的放熱峰，對應TG 曲線中納米銅粉質量增加率為25%。分析可知，這是由處理前的納米銅粉在空氣中大量氧化造成的;經硅烷偶聯劑KH550 處理后的納米銅粉在100 ℃左右有輕微的質量損失，這是由吸附在納米銅粉表面的水分揮發(fā)所引起的，當溫度升至250 ℃時，納米銅粉質量逐漸增加，直至溫度為600 ℃左右，TG 曲線不再發(fā)生變化，總的質量增加率約為15%。硅烷偶聯劑KH550 會在納米銅粉表面縮合成能在高溫下穩(wěn)定存在的疏水硅烷聚合物，從而使納米銅粉在高溫下具有良好的抗氧化性能。對比可知，處理后的納米銅粉的初始氧化溫度有所升高，氧化質量增加率下降了10%，說明經表面改性處理后，納米銅粉的抗氧化性能得到明顯提高。

　　2.3 納米銅粉添加量對導電膠導電性能的影響

　　隨著納米銅粉添加量的增加，導電膠的體積電阻率呈現逐漸降低的趨勢，當納米銅粉添加量質量分數在40%~60%之間時，導電膠的體積電阻率隨著納米銅粉添加量的增加會突然降低，隨后，導電膠的體積電阻率隨著納米銅粉添加量的增加而降低的幅度較小，當納米銅粉添加量為60%時，導電膠的體積電阻率為1.7×10−3 Ω·cm，接近于市售的銀粉導電膠產品(1×10−3~1×10−4 Ω·cm)，可以達到實際應用的要求，中所表現出的這一顯著變化關系與描述導電膠電阻率的“ 滲流理論” 十分吻合。

　　“滲流理論”指出導電膠的導電性能主要取決于導電填料在載體中的添加量及其在載體中的相互連接狀況。當納米銅粉添加量較小時，納米銅粉被絕緣性的載體樹脂嚴密包裹，互相隔離，難以形成有效的的導電網絡;但是當導電填料的含量達到“滲流閥值”時，填料納米銅粉會充分接觸，且相互之間的連接狀況會發(fā)生顯著的變化，形成大量有益的三維導電通路網絡，此時導電填料含量微小的增加都會對三維網絡結構的形成有巨大的影響，宏觀上將表現出導電膠的體積電阻率會隨著填料含量的增加而發(fā)生突降;當導電填料含量過高時，體系內部的導電通路網絡趨于穩(wěn)定，導電填料含量的增加已經不能為導電膠電阻率的降低而做出相應貢獻，導電膠的體積電阻率變化不大。

　　2.4 納米銅粉添加量對導電膠連接強度的影響

　　導電膠的連接強度隨著銅粉含量的增加而逐漸減小。導電膠的連接強度包括膠體自身的內聚強度與粘接表面的界面強度。隨著銅粉含量的增加，膠體的黏度隨之增大，被粘接表面與膠體的潤濕性將逐漸變差，膠體與粘接表面的界面強度會隨之降低;同時由于樹脂的潤濕能力有限，過高的納米銅粉含量會使樹脂發(fā)生過載，無法有效將納米銅粉牢固地連接起來，這將直接導致膠體的內聚強度變小。當納米銅粉添加量為60%時，導電膠的連接強度為11.4 MPa，能達到實際應用的要求(8~15 MPa)，且具有良好的導電性。

　　2.5 納米銅粉導電膠顯微組織

　　從不同放大倍數的SEM 像中可以觀察到，納米銅粉在載體樹脂中分布均勻，銅粉顆粒的間距由于導電膠固化所引起的載體樹脂收縮與溶劑的揮發(fā)而變小，納米銅顆粒之間相互搭連以穩(wěn)定的空間網絡結構貫穿于整個導電膠中，形成有益的導電通路，從而使膠體聚合物變成良好的導體。

　　3 結論

　　1) 以硝酸銅與石墨為原料，采用新穎的凝膠澆注法制備出純度高、分散性良好、粒徑分布范圍窄、平均粒徑約為60 nm 的類球形納米銅粉。

　　2) 以制得的納米銅粉為導電填料，成功制備出導電性能良好且具有一定連接強度的納米銅粉導電膠。

　　3) 經表面改性預處理后，納米銅粉的抗氧化性能明顯提高。納米銅粉添加量與所得導電膠電阻率的關系與“滲流理論”的描述相吻合。導電膠的連接強度隨著納米銅粉添加量的增加而逐漸減少。綜合納米銅粉添加量對二者的影響及從成本等方面的考慮，實際應用中選取納米銅粉添加量為60%較為合適。