[發(fā)明專利]石墨烯金屬復合絲材及其低溫連續(xù)化制備方法

有效

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• 申請日: 2019-11-22
• 公開（公告）號: CN111058017B
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發(fā)明（設計）人: 劉悅;楊昆明;姚松松;陳乃齊;范同祥
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學
• 主分類號: C23C16/54
• 分類號: C23C16/54;C23C16/505;C23C16/26
• 代理公司: 上海盈盛知識產(chǎn)權(quán)代理事務所(普通合伙) 31294
• 代理人: 董琳

一種石墨烯金屬復合絲材及其低溫連續(xù)化制備方法，所述制備方法包括：提供金屬絲；利用卷對卷沉積方式，在對卷輸入端和對卷輸出端之間傳輸金屬絲，并且在金屬絲傳輸過程中，通過等離子體增強化學氣相沉積工藝在所述金屬絲表面沉積石墨烯層，所述等離子體增強化學氣相沉積工藝的沉積溫度為700℃～850℃。上述制備方法提高形成的石墨烯金屬復合絲材的性能。

技術(shù)領域

本發(fā)明涉及復合材料制備領域，尤其涉及一種石墨烯金屬復合絲材及其低溫連續(xù)化制備方法。

背景技術(shù)

金屬具有高延展性、高導電性和高導熱性等特點，廣泛應用于電力、通訊等領域，然而其仍然無法滿足工業(yè)界，例如電動機、變壓器、風力發(fā)電機和傳輸線路等對高強和高導電性能導線的迫切需求，開發(fā)新型高性能的導線勢在必行。

石墨烯(graphene，Gr)作為一種具有超高力學性能和導電性能的二維材料，是金屬復合材料理想的增強相。現(xiàn)有將Cr和金屬復合的制備技術(shù)主要集中在以下幾個方面：(1)粉末冶金法；(2)攪拌摩擦焊；(3)壓力滲透法；(4)化學氣相沉積法(CVD)等。

上述技術(shù)在不同程度上存在制備成本高、工藝過程復雜、質(zhì)量差、厚度有限或無法大批量工業(yè)化生產(chǎn)等問題。

Cu是較為常用的金屬。目前，有關(guān)Gr/Cu復合絲材的制備方法主要集中在粉末冶金結(jié)合后期冷拔絲的工藝。此方法的缺點主要體現(xiàn)在無法確保Gr自身的高質(zhì)量、Gr和Cu基體的強界面結(jié)合，以及很難實現(xiàn)Gr在復合絲材中的結(jié)構(gòu)連續(xù)性。其次，現(xiàn)有的粉末冶金制備技術(shù)很難實現(xiàn)Gr/Cu復合絲材的大規(guī)模、連續(xù)化制備。大量研究表明，自支撐高質(zhì)量的Gr才具有高的載流子遷移率，Gr中的缺陷、應變、褶皺和官能團的存在均會導致Gr自身導熱性能的下降。因此，保證Gr的高質(zhì)量是實現(xiàn)高導電復合材料的前提。而當下市場上的Gr多是以其衍生物的形式存在，包括還原氧化石墨烯(reduced graphene oxide,RGO)、石墨烯納米片(graphene nanoplates,GNPs)和石墨烯紙(graphene paper,GP)。所以，相對高質(zhì)量Gr，這些衍生物自身的導電性能已經(jīng)下降較多，無法保證高的導電強化效率。與此同時，由于Gr的大的面寬比、層間強的范德瓦爾斯力、大的表面能以及和金屬基體密度的較大差異，使得Gr在Cu基體中極易團聚。此時，研究者一方面對Gr進行表面改性處理，另一方面也多采用高能球磨的方法對Gr在Cu基體粉末中進行預分散，然而二者都將不可避免的引起Gr高結(jié)晶性的破壞，從而降低復合絲材的導電性能。并且，現(xiàn)有的復合方法均屬于將增強相外加至金屬基體，導致Gr和Cu基體間的界面結(jié)合通常較弱，這極大降低了Gr/Cu界面處的電子耦合作用。盡管部分研究者通過片狀粉末冶金，采用固體碳源在片狀Cu粉表面原位自生Gr以提高其質(zhì)量及其與Cu基體間的界面結(jié)合，但所得到的Gr均一度較差，常造成導電性能的不可控。

因此，如何實現(xiàn)石墨烯金屬復合絲材的高質(zhì)量的連續(xù)化制備，是目前亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種石墨烯金屬復合絲材及其低溫連續(xù)化制備方法。

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種石墨烯金屬復合絲材的低溫連續(xù)化制備方法，包括：提供金屬絲；利用卷對卷沉積方式，在對卷輸入端和對卷輸出端之間傳輸金屬絲，并且在金屬絲傳輸過程中，通過等離子體增強化學氣相沉積工藝在所述金屬絲表面沉積石墨烯層，所述等離子體增強化學氣相沉積工藝的沉積溫度為700℃～850℃。

可選的，所述金屬絲的直徑為10μm～500μm。

可選的，所述金屬絲的材料包括銅、銀或鋁中的至少一種。

可選的，所述等離子體增強化學氣相沉積工藝的射頻功率為5W～200W，采用的沉積氣體為包含C、H元素的氣體，石墨烯的生長時間為30min～60min。