[發(fā)明專利]一種高強高導石墨烯增強銅基復合材料及制備方法與應用

有效

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• 申請日: 2017-11-27
• 公開（公告）號: CN108145169B
• 公開（公告）日: 2021-04-02
• 發(fā)明（設計）人: 王德升;王鵬云;馮巖
• 申請（專利權(quán)）人: 中國船舶重工集團公司第七二五研究所
• 主分類號: B22F9/04
• 分類號: B22F9/04;B22F1/00;B22F1/02;B22F3/04;B22F3/15;B22F3/20;C22C1/05;C22C9/00
• 代理公司: 洛陽公信知識產(chǎn)權(quán)事務所(普通合伙) 41120
• 代理人: 魏新培

本發(fā)明涉及復合材料制備技術(shù)領域，具體涉及一種高強高導石墨烯增強銅基復合材料及制備方法與應用。本發(fā)明采用球形銅粉末為基體材料，石墨烯作為增強相，通過石墨烯液相分散、球磨預分散、表面包覆、熱等靜壓、熱擠壓等步驟，制備出接近全致密、導電性能好、抗拉強度高，硬度高及延伸率高的高強高導石墨烯增強銅基復合材料。該方法工藝可控性好，易于規(guī)模化生產(chǎn)，制得的高強高導石墨烯增強銅基復合材料組織均勻，石墨烯與基體界面結(jié)合良好，性能穩(wěn)定，在汽車、航空航天和電子領域中具有巨大的應用前景。

技術(shù)領域

本發(fā)明涉及復合材料制備技術(shù)領域，具體涉及一種高強高導石墨烯增強銅基復合材料及制備方法與應用。

背景技術(shù)

石墨烯(Graphene)是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)新材料。2004年英國科學家首次成功制備出石墨烯薄片，其內(nèi)部碳原子均以結(jié)合強度極高的σ鍵結(jié)合，同時每個碳原子又可以提供一個未成鍵的自由電子。這種獨特的結(jié)構(gòu)決定了其具有高強度和良好的導電性，其強度高達130GPa，載流子遷移率為15000cm²/(Vs)，二者均為目前已知材料之最。不但如此，石墨烯還具有很高的比表面積和熱導率，以及分子、量子、隧道效應等獨特性質(zhì)。

銅基復合材料因為良好的導電導熱和加工性能使其在汽車、航空航天和電子領域具有廣泛的應用前景。隨著這些領域的快速發(fā)展，對銅基復合材料的要求越來越高，傳統(tǒng)的纖維和顆粒增強體雖然可以提高材料的力學性能，但往往使其導電導熱性能降低。因此，研發(fā)具有優(yōu)良導電導熱性能同時具有高強度的銅基復合材料成為目前亟需解決的問題。

石墨烯因其高的導電導熱性能和優(yōu)異的力學性能被認為是理想的銅基復合材料增強體。目前，國內(nèi)外關(guān)于石墨烯銅基復合材料的研究集中在石墨烯對銅基體力學性能的增強效果上，對其綜合性能的關(guān)注較少，易于實現(xiàn)的大塊體材料均未達到高強高導銅的級別。

李彬等采用球磨和燒結(jié)相結(jié)合的方法，將氧化石墨烯溶液和納米銅粉混合，制備得到石墨烯增強銅基復合材料。實驗結(jié)果表明，其壓縮屈服強度僅70MPa，低于純銅，原因可能和氧化石墨烯發(fā)生嚴重的團聚有關(guān)。

楊帥等以石墨和納米銅粉為原料，通過均質(zhì)機械剝離制備得到納米銅粉和少層石墨烯復合粉體，用電火花燒結(jié)工藝制備石墨烯增強銅基復合材料。結(jié)果表明，其壓縮屈服強度比銅基體高約300MPa；拉伸屈服強度比銅基體高60MPa。

公開號為CN 102385938 A的中國發(fā)明專利，提供了一種金屬基石墨烯復合電接觸材料的制備方法，采用0.02wt％～10wt％的石墨烯，通過化學還原結(jié)合真空熔煉法制備復合材料，使其具有更高的導電性能和耐磨性，抗熔焊能力更強。但因使用有毒有害的水合肼為還原劑，不能滿足環(huán)保的要求，同時高溫熔煉一定程度上破壞了石墨烯特有的結(jié)構(gòu)。

公開號為CN 103952588 A的中國發(fā)明專利，提供一種高強高導石墨烯銅復合材料及其制備方法，采用水合肼還原加有氧化石墨烯的硫酸銅溶液，得到納米銅和石墨烯，將復合粉末進行氫氣還原處理后，利用等離子燒結(jié)技術(shù)制備出塊體石墨烯銅復合材料。該發(fā)明中金屬銅直接與石墨烯復合，制備工藝簡單。但是，銅顆粒細小，極易氧化，后續(xù)氫氣還原難以徹底進行。另外，由于等離子燒結(jié)設備的限制，無法實現(xiàn)大規(guī)格材料的制備。

公開號為CN 104711443 A的中國發(fā)明專利，提供一種石墨烯/銅復合材料及其制備方法，將銅鎳合金粉與鱗片石墨共同機械球磨，借助機械力剝離出石墨烯，再通過粉末冶金、熱擠壓、軋制技術(shù)得到石墨烯/銅塊材、絲材和帶材。該發(fā)明中石墨烯與基體界面結(jié)合良好，工藝簡單，過程易控，易實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。但其制備的復合材料導電性能僅有63.84～71.84％IACS，拉伸強度為246～250MPa，達不到高強高導銅基復合材料的要求。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺點，本發(fā)明的首要目的在于提供一種高強高導石墨烯增強銅基復合材料的制備方法，該方法采用球形純銅粉為基體材料，石墨烯作為增強相，通過石墨烯液相分散、球磨預分散、表面包覆、熱等靜壓、熱擠壓等步驟，可控性好，易于規(guī)模化生產(chǎn)。