[發明專利]結構化銅基上生長石墨烯的方法、電纜芯材及其制備方法

在審

• 申請號: 202010664212.5
• 申請日: 2020-07-10
• 公開（公告）號: CN113909476A
• 公開（公告）日: 2022-01-11
• 發明（設計）人: 馬瑜;沈晗睿;楊軍;付金良;張文卿
• 申請（專利權）人: 上海新池能源科技有限公司;浙江正泰電器股份有限公司
• 主分類號: B22F7/04
• 分類號: B22F7/04;B22F3/16;C23C16/26;H01B1/02;H01B1/04;H01B13/00
• 代理公司: 北京卓言知識產權代理事務所(普通合伙) 11365
• 代理人: 王茀智;龔清媛

結構化銅基上生長石墨烯的方法、電纜芯材及其制備方法，其中，結構化銅基上生長石墨烯的方法包括如下步驟：步驟S1：銅粉和銅箔交替層疊放入模具中，經等靜壓處理成型，形成錠塊；步驟S2：錠塊經由化學氣相沉積法生長石墨烯，形成銅基石墨烯。形成的銅基石墨烯依次經由復壓、燒結和熱燒結拉絲成型，制得電纜芯材。制備形成的電纜芯材包括銅材和石墨烯，銅材包括銅箔和銅粉，石墨烯包覆銅箔和銅粉。采用銅粉和銅箔交替層疊的方式對銅基進行結構化處理，整體提升了銅基石墨烯材料的壽命和性能。進一步加工形成電纜芯材產生明顯的各向異性，改善了電纜芯材在使用中因交流電導致的電流分布不均勻，等效電阻增大的現象。

技術領域

本發明涉及石墨烯材料的技術領域，具體涉及結構化銅基上生長石墨烯的方法、電纜芯材及其制備方法。

背景技術

銅的電阻率為銀的1.05倍，而其價格只有銀的十分之一，因此在滿足導電要求的前提下，銅在工業生長上具有更高的性價比，但是銅粉因為其不耐氧化和腐蝕，在環境中易被氧化成氧化銅，在潮濕的空氣中，會生成銅綠。為了保證銅基材料在這些環境中使用時不失效，在其表面做防護層顯得尤為重要。石墨烯由于其具有優異的導電導熱性能，運用于各個行業領域，如電極材料，超級電容器，導熱填充層等，石墨烯的制備方法在其問世后也得到大力開發，化學氣相沉積法由于其工藝簡單，成本較低，石墨烯質量高，因此成為石墨烯的主要生長方法。

利用化學氣相沉積法在銅粉上生長石墨烯的過程中，由于銅粉和銅粉接觸會形成界面，也會在成型的錠塊中留縫隙，從而會降低最終成品的導電率。該種材料制備形成的電纜在應用中會由于交流電的原因而導致電流分布不均勻，等效電阻增大的現象。而采用石墨烯在銅粉和銅箔上反復交替生長，則存在銅基因在交替生長過程中由于生長時間不同而導致的石墨烯厚度不同問題，并最終由于銅基上碳不斷沉積而使產品導電性能下降。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的缺陷，提供一種能降低銅基空隙和交界面，改善材料導電率的結構化銅基上生長石墨烯的方法，以及改善電纜芯材電流分布不均勻，等效電阻增大的電纜芯材的制備方法及所制備形成的電纜芯材。

為實現上述目的，本發明采用了如下技術方案：結構化銅基上生長石墨烯的方法，包括如下步驟：

步驟S1：銅粉和銅箔交替層疊放入模具中，經等靜壓處理成型，形成錠塊；

步驟S2：錠塊經由化學氣相沉積法生長石墨烯，形成銅基石墨烯。

優選地，所述步驟S1中等靜壓處理中的等靜壓力為5～10MPa。

優選地，所述步驟S1中銅粉和銅箔的質量比為15:1～40:1，每層所述銅粉的質量均相同，每層所述銅箔的尺寸均相同。

優選地，所述步驟S2的具體步驟包括：

步驟S21：錠塊放入坩堝中，然后置于化學氣相沉積爐內，向化學氣相沉積爐中通入氬氣，使化學氣相沉積爐中充滿氬氣，并將化學氣相沉積爐內溫度上升至反應溫度，保溫；

步驟S22：保持氬氣的通入，向化學氣相沉積爐中通入甲烷和氫氣，實現錠塊上石墨烯的生長。

優選地，所述步驟S21中氬氣的流量為100～150sccm，化學氣相沉積爐中的升溫速率為10～20℃/min，反應溫度為950～1020℃；

所述步驟S22中甲烷的流量為4～10sccm，氫氣的流量為20～50sccm，石墨烯的生長時間為1～2h。

本發明還提供一種電纜芯材的制備方法，將上述制備形成的所述銅基石墨烯依次經由復壓、燒結和熱燒結拉絲成型，制得電纜芯材。

優選地，所述復壓操作為等靜壓操作，所述等靜壓力為300～500MPa。

優選地，所述燒結操作為將復壓后的的銅基石墨烯在氬氣保護下進行燒結，燒結溫度為900℃，燒結時間為1～3h。