[發明專利]石墨烯-碳納米管共同增強銅基復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202110045837.8
• 申請日: 2021-01-14
• 公開（公告）號: CN112877561B
• 公開（公告）日: 2022-01-21
• 發明（設計）人: 楊名;李鐵軍;劉文祎;王耀奇;侯紅亮
• 申請（專利權）人: 中國航空制造技術研究院
• 主分類號: C22C9/00
• 分類號: C22C9/00;C22C1/05;C22F1/08;C22F1/02;B22F1/18;B22F3/14;C25D5/54;C25D3/38
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本發明涉及金屬基復合材料技術領域，具體公開了一種石墨烯?碳納米管共同增強銅基復合材料及其制備方法。本發明的銅基復合材料中包含大部分取向的銅?碳異質界面和石墨烯與碳納米管之間的π?π鍵，既可以通過界面結合、載荷傳遞、拔出效應和彌散強化等機理增強復合材料的力學強度，又可以使電子跨過銅?碳異質界面進行快速而有方向性的傳輸。本發明將碳納米管網絡構建、石墨烯?碳納米管復合網絡構建、電沉積銅、真空熱壓燒結、熱處理等工藝相結合，成功制備了互穿且取向的網絡狀復合的銅基復合材料，有效增加了銅基體與導電網絡的結合界面，改善了導電網絡的精細結構，在減重的同時力學強度和導電性能有明顯的提升。

技術領域

本發明涉及金屬基復合材料技術領域，特別是涉及一種石墨烯-碳納米管共同增強銅基復合材料及其制備方法。

背景技術

銅及銅合金具有導電、導熱、耐腐蝕、塑性好等特點，是國防軍工發展和國民經濟建設的重要基礎材料，被廣泛應用于電子信息、航空航天等國防工業諸多領域。隨著材料科學和現代工業的發展，對銅的性能提出了更高的要求，銅基復合材料有可能滿足這些要求。在銅基復合材料中，力學強度的提高和導電性能的提高是一對突出的矛盾，二者很難協同提升。

目前，提高銅基復合材料的力學強度或導電性能的方法主要有四種，一種是制造高純銅和單晶銅，減少純銅中的雜質和缺陷，提高電導率，但是該方法存在的不足是電導率已接近物理上限，優化空間十分有限，且材料的拉伸強度降低，技術難度和生產成本較高；二是采用合金化方法提高材料的力學強度，但是該方法在提高力學強度的同時伴隨著導電性能的下降，尤其是在導電性能總體低于銅的情況下，隨著合金元素含量的增加，銅合金的導電性能先上升后下降，難以超過銅；三是使用陶瓷顆粒和/或碳纖維制備復合材料，增加材料的力學性能，但是該方法對導電性能無任何改善作用，反而會使導電性降低；四是采用納米材料復合制備顆粒增強的銅基復合材料，目前最常用的增強體是碳納米管和石墨烯，這兩種增強體既可以單獨添加，也可以混合添加，相應的復合材料的制備方法包括球磨、界面改性、電沉積等。采用納米材料復合增強的銅基復合材料其性能提升潛力很大，但是效果主要集中在力學強度的增加上，電導率仍很難超過銅，減重效果也很有限。造成這種現象的原因主要有三個：一是增強體復合量低，二是增強體沒有均勻地取向分布在銅基體中，三是增強體比表面積大，容易團聚形成缺陷。目前，已有采用接枝官能團、正負電吸引、引入界面化合物等方法來解決團聚問題，這些方法在增強界面結合，增加力學強度方面有很好的效果，但是阻礙了石墨烯-銅界面上的電子傳輸，相比銅的導電性能都有不同程度的下降，對于減重的效果也不明顯。

綜上所述，目前的復合方法均存在不足之處，絕大多數方法可以有效地提高銅基復合材料的力學強度，但是會造成導電性能的下降，無法實現銅基復合材料在減重的同時力學強度和導電性能的協同提升。

發明內容

一、要解決的技術問題

本發明主要解決的技術問題是提供一種石墨烯-碳納米管共同增強銅基復合材料及其制備方法，以實現銅基復合材料在減重的同時力學強度和導電性能的協同提升。

二、技術方案

第一方面，本發明提供一種石墨烯-碳納米管共同增強銅基復合材料，包括銅基體以及取向分布于銅基體中的石墨烯和碳納米管，所述碳納米管的網絡結構形成石墨烯彌散復合的基本骨架，并在石墨烯與碳納米管之間形成π-π鍵。

作為一種優選的實施方式，所述銅基復合材料中石墨烯與碳納米管的質量比為1:1-1:20。更進一步優選地，所述銅基復合材料中石墨烯與碳納米管的質量比為1:10。

作為一種優選的實施方式，所述銅基復合材料中石墨烯和碳納米管的復合量為8-40wt％。更進一步優選地，所述銅基復合材料中石墨烯和碳納米管的復合量為8-10wt％。

第二方面，本發明提供一種石墨烯-碳納米管共同增強銅基復合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)采用浮動催化法制備取向的碳納米管網絡；