一种泡沫石墨烯骨架增强铜基复合材料及制备方法技术

一种泡沫石墨烯骨架增强铜基复合材料及制备方法，所述复合材料由泡沫衬底、石墨烯强化层、基体材料组成，泡沫衬底为泡沫金属或泡沫陶瓷或泡沫碳。石墨烯强化层为石墨烯膜或石墨烯与金刚石、碳纳米管的复合。基体材料为铜及铜合金。本发明专利技术制得的复合材料因石墨烯与铝在三维空间内保持连续分布，形成了网络互穿结构，从而弱化了复合界面对材料热学和电学性能的显著影响，既能不降低金属基体在复合材料中的良好塑韧性，又能使增强相成为一个整体，最大限度地发挥增强体的导热和导电效率，使复合材料的热导率、导电率及机械强度相比较传统复合材料有极大提高，是一种很有潜力的新型多功能复合材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术公开了一种泡沫石墨烯骨架增强铜基复合材料及制备方法，属于复合材料制备

技术介绍
石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20％。它是目前自然界最薄、强度最高的材料，如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克便可以承受一只一千克的猫。作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。2014年05月08日，中航工业航材院的一组年轻科研人员在国际石墨烯研究领域首创“烯合金”材料，这一具有里程碑意义的重大自主创新，不但专利技术了一类具有优异性能的新型高端合金材料，也使我国成为石墨烯这一材料科学前沿基础和应用研究的领跑者。烯合金的研制成功，宣告一代新型具有特殊优异性能的系列材料横空出世，填补了世界材料科学领域的空白，进而将这门学科推向全新的领域。石墨烯是目前热导率(最高可达5300W/mK)最高的人造材料，而且热膨胀系数和密度极低，将石墨烯作为增强相与高导热金属复合，在保证拥有理想热膨胀系数和低密度的同时，可获得更为优异的导热性能。由于Cu具有比Al更高的热导率和导电率，同时热膨胀系数比Al低，将Cu作为基体金属来制备石墨烯粉增强金属基复合材料，可实现复合材料热物理性能的进一步提升。同时，Cu的熔点高，也使Cu/金刚石复合材料具有更广的使用范围。因此，将石墨烯与铜复合使其兼具高热导、高导电、低热膨胀和耐高温等优异的综合性能，现已成为新一代电子封装材料的研究热点。然而，就传统的石墨烯粉增强金属基复合材料而言，此种复合结构中的石墨烯粉末(热导率5300W/mK)犹如一座座由金属铝(热导率237W/mK)连接的导热孤岛，既增加了两相界面数量，又难产生协同作用，使石墨烯优异的导热性能难以充分发挥。本专利技术的创新思路是在复合材料中构建连续的石墨烯网络骨架，变高导热孤岛为高导热通道。然而，对于传统的颗粒增强型复合材料，网络互穿结构的制备难度很大。中国专利技术专利CN105112754A提出了一种三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料及制备方法，其中金属三维网络骨架衬底采用机械加工方法制备或采用金属线编织而成。然而，传统的机械加工方法属于多维加工，加工工序多，成本较高。此外，机械加工受制于传统机械加工手段和设备的束缚，对三维多孔骨架内部孔径、联通性的精细控制难度较大。采用金属线编织的方法，存在三维孔隙间含有缝隙，且工艺流程复杂等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术不足而提供一种泡沫石墨烯骨架增强铜基复合材料及制备方法，本专利技术通过化学气相沉积技术复制泡沫金属的结构，使高导热材料以无缝连接的方式构成一个全连通的整体，与铝基形成网络互穿结构，使复合材料具有优异的连续导热能力、电荷传导能力和极低的密度。本专利技术泡沫石墨烯骨架增强铜基复合材料，所述复合材料包括增强体、基体材料，所述增强体包括泡沫骨架衬底、石墨烯强化层，所述泡沫骨架衬底表面设有石墨烯强化层；所述泡沫骨架衬底选自泡沫金属骨架、泡沫陶瓷骨架、泡沫碳骨架中的至少一种，所述基体材料选自铜及其合金。本专利技术泡沫石墨烯骨架增强铜基复合材料，所述泡沫金属骨架选自泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛、泡沫钴、泡沫钨、泡沫钼、泡沫铬、泡沫铁镍、泡沫铝中的一种；所述泡沫陶瓷骨架选自泡沫A12O3、泡沫ZrO2、泡沫SiC、泡沫Si3N4、泡沫BN、泡沫B4C、泡沫AlN、泡沫WC、泡沫Cr7C3中的一种。本专利技术泡沫石墨烯骨架增强铜基复合材料，所述泡沫骨架衬底中，泡沫孔径为0.01-10mm，开孔率40-99.9％，泡沫孔洞均匀分布或随机分布；泡沫骨架为平面结构或三维立体结构。本专利技术泡沫石墨烯骨架增强铜基复合材料，所述石墨烯强化层选自石墨烯膜、石墨烯墙、石墨烯包覆金刚石、碳纳米管包覆石墨烯中的一种。本专利技术泡沫石墨烯骨架增强铜基复合材料，石墨烯强化层中，石墨烯包覆金刚石是指在金刚石表面原位生长石墨烯，且石墨烯垂直于金刚石表面形成石墨烯墙；碳纳米管包覆石墨烯是指在石墨烯表面催化生长碳纳米管，且碳纳米管垂直于石墨烯表面形成碳纳米管林。本专利技术泡沫石墨烯骨架增强铜基复合材料，基体材料中还添加有强化颗粒，强化颗粒选自高导热颗粒、超硬耐磨颗粒、导电颗粒中的至少一种；所述高导热颗粒选自金刚石粉、石墨烯、碳纳米管、石墨烯包覆金刚石微球、碳纳米管包覆金刚石微球、碳纳米管包覆石墨烯中的至少一种；超硬耐磨颗粒选自金刚石粉、SiC、TiC、TiN、AlN、Si3N4、Al2O3、BN、WC、MoC、Cr7C3中的至少一种；导电颗粒选自石墨、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。本专利技术泡沫石墨烯骨架增强铜基复合材料，复合材料中，各组分的体积百分含量为：基体材料40-99.9％，增强体0.01-60％，强化颗粒体积分数为0-30％。本专利技术泡沫石墨烯骨架增强铜基复合材料，强化相中，石墨烯强化层体积分数为0.01-80％，泡沫骨架体积分数为0.1-20％。本专利技术泡沫石墨烯骨架增强铜基复合材料，在基体中，增强体以单体增强或多体阵列增强，所述多体阵列增强是指增强体以层片状平行分布或以柱状平行分布于基体中。一种泡沫石墨烯骨架增强铜基复合材料的制备方法，包括下述步骤：第一步：增强体的制备将泡沫骨架衬底清洗、烘干后，采用化学气相沉积在泡沫骨架表面原位生长石墨烯膜，得到增强体；沉积参数为：沉积石墨烯膜：含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.5-80.0％；生长温度为400-1200℃，生长气压为5-105Pa；或将泡沫骨架衬底清洗、烘干后，采用化学气相沉积在泡沫骨架表面原位生长石墨烯墙、石墨烯包覆金刚石、碳纳米管包覆石墨烯，沉积过程中在泡沫骨架衬底上施加等离子辅助生长，并通过在衬底底部添加磁场把等离子体约束在泡沫骨架近表面，强化等离子对泡沫骨架表面的轰击，使石墨烯垂直于泡沫骨本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种泡沫石墨烯骨架增强铜基复合材料，其特征在于，所述复合材料包括增强体、基体材料，所述增强体包括泡沫骨架衬底、石墨烯强化层，所述泡沫骨架衬底表面设有石墨烯强化层；所述泡沫骨架衬底选自泡沫金属骨架、泡沫陶瓷骨架、泡沫碳骨架中的至少一种，所述基体材料选自铜及铜合金。

【技术特征摘要】
1.一种泡沫石墨烯骨架增强铜基复合材料，其特征在于，所述
复合材料包括增强体、基体材料，所述增强体包括泡沫骨架衬底、石
墨烯强化层，所述泡沫骨架衬底表面设有石墨烯强化层；所述泡沫骨
架衬底选自泡沫金属骨架、泡沫陶瓷骨架、泡沫碳骨架中的至少一种，
所述基体材料选自铜及铜合金。
2.根据权利要求1所述的一种泡沫石墨烯骨架增强铜基复合材
料，其特征在于，所述泡沫金属骨架选自泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛、
泡沫钴、泡沫钨、泡沫钼、泡沫铬、泡沫铁镍、泡沫铝中的一种；所
述泡沫陶瓷骨架选自泡沫A12O3、泡沫ZrO2、泡沫SiC、泡沫Si3N4、
泡沫BN、泡沫B4C、泡沫AlN、泡沫WC、泡沫Cr7C3中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种泡沫石墨烯骨架增强铜基复合材
料，其特征在于，所述泡沫骨架衬底中，泡沫孔径为0.01-10mm，开
孔率40-～99.9％，泡沫孔洞均匀分布或随机分布；泡沫骨架为平面结
构或三维立体结构。
4.根据权利要求1所述的一种泡沫石墨烯骨架增强铜基复合材
料，其特征在于，所述石墨烯强化层选自石墨烯膜、石墨烯墙、石墨
烯包覆金刚石、碳纳米管包覆石墨烯中的一种。
5.根据权利要求4所述的泡沫石墨烯骨架增强铜基复合材料，其
特征在于，石墨烯强化层中，石墨烯包覆金刚石是指在金刚石表面原

\t位生长石墨烯，且石墨烯垂直于金刚石表面形成石墨烯墙；
碳纳米管包覆石墨烯是指在石墨烯表面催化生长碳纳米管，且碳
纳米管垂直于石墨烯表面形成碳纳米管林。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的泡沫石墨烯骨架增强铜基复
合材料，其特征在于，基体材料中还添加有强化颗粒，强化颗粒选自
高导热颗粒、超硬耐磨颗粒、导电颗粒中的至少一种；所述高导热颗
粒选自金刚石粉、石墨烯、碳纳米管、石墨烯包覆金刚石微球、碳纳
米管包覆金刚石微球、碳纳米管包覆石墨烯中的至少一种；超硬耐磨
颗粒选自金刚石粉、SiC、TiC、TiN、AlN、Si3N4、Al2O3、BN、WC、
MoC、Cr7C3中的至少一种；导电颗粒选自石墨、碳纳米管、石墨烯
中的至少一种。
7.根据权利要求6所述的泡沫石墨烯骨架增强铜基复合材料，其
特征在于，复合材料中，各组分的体积百分含量为：基体材料
40-99.9％，增强体0.01-60％，强化颗粒体积分数为0-30％，各组分体
积百分之和为100％。
8.根据权利要求7所述的泡沫石墨烯骨架增强铜基复合材料，其
特征在于，在基体中，增强体以单体增强或多体阵列增强，所述多体
阵列增强是指增强体以层片状平行分布或以柱状平行分布于基体中。
9.一种泡沫石墨烯骨架增强铜基复合材料的制备方法，包括下
述步骤：
第一步：增强体的制备
将泡沫骨架衬底清洗、烘干后，采用化学气相沉积在泡沫骨架表
面原位生长石墨烯膜，得到增强体；沉积参数为：
沉积石墨烯膜：含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为
0.5-80％；生长温度为400-1200℃，生长气压为5-105Pa；
或
将泡沫骨架衬底清洗、烘干后，采用化学气相沉积在泡沫骨架表
面原位生长...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏秋平，马莉，周科朝，余志明，叶文涛，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43