[發(fā)明專利]一種制備石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610705727.9
• 申請(qǐng)日: 2016-08-23
• 公開（公告）號(hào): CN106191507B
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 汪航;龔留奎;張敏;范國強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江西理工大學(xué);廣州埃米石墨烯投資管理有限公司
• 主分類號(hào): C22C1/10
• 分類號(hào): C22C1/10;C22C9/00
• 代理公司: 北京中創(chuàng)陽光知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司11003
• 代理人: 尹振啟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種制備石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的方法。

背景技術(shù)

石墨烯有著良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性以及極高的強(qiáng)度，是人類已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)。石墨烯的應(yīng)用范圍非常廣泛，例如高強(qiáng)高導(dǎo)復(fù)合材料、透明導(dǎo)電電極、電子產(chǎn)品等等。銅基復(fù)合材料有著良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性和加工性能，在電子產(chǎn)品、航空航天以及汽車領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的銅基復(fù)合材料的強(qiáng)度較高，但是導(dǎo)電導(dǎo)熱性會(huì)有所降低。石墨烯因其良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性和強(qiáng)度，是理想的銅基增強(qiáng)體。

目前石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備方法主要有四種：采用分子水平的混合方法將石墨烯分散在銅基體中，后采用放電等離子燒結(jié)；通過原位化學(xué)還原方法合成石墨烯納米片，以此為基體通過放電等離子燒結(jié)；通過球磨和異步軋制的方法制備多層石墨烯銅基復(fù)合材料；通過化學(xué)氣相沉積法在銅表面沉積一層石墨烯，后采用電化學(xué)沉積的方法重復(fù)操作。

采用上述法制備石墨烯銅基復(fù)合材料確實(shí)可以提高材料的力學(xué)性能，但是由于制備的過程比較繁瑣，對(duì)試驗(yàn)設(shè)備有較高的要求，生產(chǎn)成本相對(duì)太高，故多用于實(shí)驗(yàn)室小試，尚不能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。而成本較低的傳統(tǒng)熔鑄法的難點(diǎn)在于，石墨烯具有密度小以及與金屬基體之間潤濕性能差等問題，難以實(shí)現(xiàn)均勻分散及與金屬基體牢固結(jié)合等等。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所提供的制備石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的方法，是針對(duì)傳統(tǒng)熔鑄工藝中石墨烯密度小以及與銅之間潤濕性能差等問題，通過改善熔煉鑄造技術(shù)工藝，達(dá)到石墨烯在銅基體中均勻分布以提升材料強(qiáng)度、硬度的目的。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種制備石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的方法，包括如下步驟：

1）準(zhǔn)備平底模具，并將模具底平面調(diào)整為水平；準(zhǔn)備石墨烯粉料、純銅粉料，混合后置于研磨器皿中研磨均勻或置于研磨器皿中混合并研磨均勻；混合均勻的粉末均勻平鋪于所述模具的底部；

2）在所述粉末的上面覆蓋與所述模具的底部尺寸適配的薄純銅片，所述薄純銅片與底部側(cè)壁的縫隙小于0. 5毫米；

3）將熔煉好的銅液緩慢澆鑄進(jìn)模具中；

4）冷卻后，得到石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料。

進(jìn)一步，石墨烯在鑄成的銅錠中的體積百分比為0.1%≤石墨烯≤2.0%。

進(jìn)一步，步驟1）中所述石墨烯粉料為單質(zhì)形式。

進(jìn)一步，步驟1）中在大氣條件下將純銅粉與石墨烯粉末混合，置于研磨器皿中研磨均勻。

進(jìn)一步，步驟1）中純銅粉與石墨烯粉末體積比在18: 1至22: 1之間。

進(jìn)一步，步驟1）中研磨時(shí)間在20秒至70秒之間。

進(jìn)一步，步驟2）中所述薄純銅片厚度與所述石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料厚度比在1:20至1:30之間。

進(jìn)一步，步驟1）中所述純銅粉末、純銅片的雜質(zhì)含量均小于0.5%。

進(jìn)一步，步驟3）中所述銅液的溫度在1080℃至1200℃之間。

進(jìn)一步，步驟3）中所述銅液的澆注速度控制在模具內(nèi)液面上升速度保持在0.5 mm/s至1.5mm/s之間。

本發(fā)明中，混合均勻的石墨烯與銅粉加以純銅片覆蓋，且澆鑄速度不超過1mm/s，控制澆鑄過程中銅液流動(dòng)對(duì)石墨烯分散過程的影響，澆鑄溫度不低于1080℃且不高于1200℃，有利于銅液凝固過程中體積收縮以強(qiáng)化與石墨烯結(jié)合效果。本發(fā)明能夠顯著改善使用熔鑄方法制備石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料過程中石墨烯在銅基體中的分布，提升材料強(qiáng)度、硬度，該方法中石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的平均硬度可達(dá)80HV以上，常溫下電導(dǎo)率不低于80%IACS，常溫下導(dǎo)熱系數(shù)不低于339w/(mK)。

具體實(shí)施方式

下面利用實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更全面的說明。本發(fā)明可以體現(xiàn)為多種不同形式，并不應(yīng)理解為局限于這里敘述的示例性實(shí)施例。

為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)到預(yù)定技術(shù)目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合較佳實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的工藝過程、特征以及功效詳細(xì)說明如后。

實(shí)施例1

1）準(zhǔn)備平底模具，并將模具底平面調(diào)整為水平；準(zhǔn)備石墨烯粉料1體積份、純銅粉料18體積份，混合后置于研磨器皿中研磨均勻；研磨時(shí)間為30秒；混合均勻的粉末均勻平鋪于模具的底部。

2）在粉末的上面覆蓋與模具的底部尺寸適配的1mm厚薄純銅片，薄純銅片與底部側(cè)壁的縫隙為0. 5毫米。

3）將熔煉好的溫度為1080℃銅液緩慢澆鑄進(jìn)模具中；銅液的澆注速度控制在模具內(nèi)液面上升速度保持在0.5 mm/s。銅液與薄純銅片體積份之和為991份。石墨烯與銅體積比為0.1%。