一种高导电石墨烯/铜基层状复合材料及其制备方法技术

技术编号:15260079 阅读:229 留言:0更新日期:2017-05-03 12:48
本发明专利技术公开一种高导电石墨烯/铜基层状复合材料及制备方法,其特征在于,所述的复合材料由CVD石墨烯与板状铜基底交替复合构成层状结构,层内厚度方向为单晶态,且具有(111)晶面高度取向。所述方法为:(1)通过化学气相沉积(CVD)技术在板状铜基底上下表面生长石墨烯并诱导铜基底沿(111)择优取向,制备得到三明治状的石墨烯包覆铜基底;(2)将多片石墨烯包覆铜基底通过热压烧结致密化构成高导电石墨烯/铜基层状复合材料。本发明专利技术所制得的层状复合材料电导率高,传导水平高于纯银,且易于生产,可用作各种类型的传导材料。

High conductance calcium carbide vinyl / copper based layered composite material and preparation method thereof

The invention discloses a high conductance calcium carbide graphene / copper based layered composite material and a preparation method thereof, which is characterized in that the composite material by CVD graphene and plate-like copper base composite composed of alternating layered structure, the thickness of layer is a single crystal, and (111) crystal plane height is taken to. The method is as follows: (1) by chemical vapor deposition (CVD) technique in plate-like copper substrate surface growth and induced copper substrate along the graphene (111) preferred orientation, the prepared graphene sandwich shaped coated copper substrate; (2) a plurality of graphene coated copper substrate by hot pressing a high conductance calcium carbide sintering densification of graphene / Cu based layered composite materials. The layered composite material prepared by the invention has the advantages of high conductivity, higher conduction level than that of pure silver and easy production.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于高导电金属基复合材料材料领域,具体的,涉及一种高导电石墨烯/铜基层状复合材料及其制备方法。
技术介绍
近年来,随着电子、传导技术的发展,电极材料、信号保真等领域对导体的传导性能提出了高于纯银(≥62.9×106S/m,108%IACS)的要求(IACS为国际退火铜标准)。对现有技术的文献检索发现,文献(1)“CopperBetterthanSilver:ElectricalResistivityoftheGrain-FreeSingle-CrystalCopperWire”(铜优于银:单晶铜线的电阻率)(CrystalGrowth&Design,Vol.10,No.6,2010,2780-2784)通过旋转提拉法制备铜单晶,然后利用电火花线切割技术获得单晶铜导线,电导率(65.7×106S/m,113%IACS)高于纯银,文献(2)“Fabricationofthebestconductorfromsingle-crystalcopperandthecontributionofgrainboundariestotheDebyetemperature”(由单晶铜制造最好的导体及晶界对德拜温度的贡献)(CrystEngComm,2012,14,1463–1467)在此基础上引入热等静压技术,进一步降低材料内部的点缺陷密度,使单晶铜导线的电导率(67.9×106S/m,117%IACS)高于单晶银(67.1×106S/m,115%IACS),可以满足当前电子、传导技术对于高导电性能的发展要求。但是通过旋转提拉法制备单晶技术对生产条件极为苛刻,而且单晶的成品率较低,生产成本极高。石墨烯自2004年发现以来,因优异的传导性能受到了极大的关注。作为增强体,石墨烯所具有的极高电导率和电子迁移率为铜基复合材料的电导率达到甚至超过纯银提供了可能。文献(3)“EnhancedMechanicalPropertiesofGraphene/CopperNanocompositesUsingaMolecular-LevelMixingProcess”(使用分子级混合工艺机械性能提高的石墨烯/铜纳米复合材料)首先利用水溶液中氧化状态的石墨烯纳米片与铜离子通过静电剂吸附进行分子级混合,获得氧化石墨烯/铜离子(GO/Cu2+),之后通过氧化、还原和放电等离子体烧结获得还原氧化石墨烯/铜(rGO/Cu)纳米复合材料。然而该纳米复合材料的电导率只有50%IACS。通过分析发现这是由于氧化石墨烯具有高的缺陷密度,严重降低了石墨烯原有的高电导率,致使复合材料电导率并不能得到提高。文献(4)“Fabricationofin-situgrowngraphenereinforcedCumatrixcomposites”(制备原位生长石墨烯增强铜基复合材料)首先将固体碳源分散在球形微米铜粉表面,之后利用CVD技术将固体碳源转化为沿球形铜粉表面生长的石墨烯,获得石墨烯-铜复合粉末再通过热压烧结完成CVD石墨烯-铜复合材料的致密化。该复合材料中使用的CVD技术引入了缺陷密度相对较低的石墨烯,使得复合材料电导率(99.1%IACS)较文献(3)中rGO/Cu复合材料的电导率(50%IACS)有显著提高,但仍没有超过国际退火软铜标准的水平。通过分析发现,主要是(1)铜基底为多晶态,大量的晶界界面增加了载流子的散射,从而使得电阻增加;(2)由于石墨烯具有二维原子层结构特征和性质各项异性,而该粉末烧结技术导致石墨烯在复合材料内部呈无取向分散,不利于发挥石墨烯二维高导、高电子迁移率的本征特性,导致CVD石墨烯-铜复合材料的电导率低于国际退火铜标准。
技术实现思路
针对现有技术的不足,本专利技术的目的是提供一种高导电石墨烯/铜基层状复合材料及其制备方法,制备的材料电导率突破国际退火铜标准,甚至高于纯银。本专利技术根据长期的研究发现,要制备电导率突破国际退火铜标准甚至高于纯银的石墨烯/铜复合材料需要:(1)基底具有单晶铜或接近单晶铜的微结构组织;(2)引入高电导的CVD石墨烯,以及(3)构建石墨烯在基底内呈沿平面铺展、取向分布,有利于发挥石墨烯二维高导、高电子迁移率的本征性能的微观构型。基于上述研究发现,本专利技术提供以下高导电石墨烯/铜基层状复合材料及其制备方法。根据本专利技术的第一方面,提供一种高导电石墨烯/铜基层状复合材料,所述复合材料由CVD石墨烯与板状铜基底交替复合构成层状结构,层内厚度方向基底为单晶态,且表现为高度取向(111)晶面,层内水平方向基底为单晶或多晶态。优选地,所述板状铜基底上下表面均匀沉积石墨烯,并诱导铜基底沿(111)择优取向,得到三明治状的石墨烯包覆铜基底。优选地,所述的三明治状的石墨烯包覆铜基底中,铜基底为箔材或板材,铜基底的层厚为1μm~500μm,铜基底的纯度≥99%。优选地,所述的三明治状的石墨烯包覆铜基底中,石墨烯的层数为1~10层。优选地,所述铜箔基底的片数为2片以上。根据本专利技术的第二方面,提供一种高导电石墨烯/铜基层状复合材料的制备方法,包括:首先利用化学气相沉积(CVD)技术,在板状铜基底上下表面均匀沉积石墨烯,并诱导铜基底沿(111)择优取向,得到三明治状的石墨烯包覆铜箔;再将多片石墨烯包覆铜基底经热压烧结致密化,得到高导电石墨烯/铜基层状复合材料。优选地,所述的石墨烯包覆铜基底中,铜基底为高度结晶、沿(111)晶面高度取向,厚度1μm~500μm,纯度≥99%。优选地,所述的石墨烯包覆铜基底中,铜基底晶粒在铜箔厚度方向为单晶态,在面内水平方向为单晶或多晶态。优选地,所述的高导电石墨烯/铜基层状复合材料中,所使用的三明治状的石墨烯包覆铜基底的片数为2片或以上。优选地,所述三明治状的石墨烯包覆铜基底制备中石墨烯生长所需的碳源种类包括气态和固态中的一种,所生长石墨烯的层数为1~10层。优选地,所述的热压烧结致密化包括真空或者气体保护下热压烧结、放电等离子体烧结、微波烧结中的一种。在本专利技术制备方法中,通过化学气相沉积(CVD)技术使石墨烯生长于铜基底表面形成三明治状的石墨烯包覆铜基底,由于石墨烯蜂巢晶格与铜(111)晶面晶格具有良好的匹配关系,以界面能降低为驱动力,在经过石墨烯沉积生长之后,铜基底表面晶粒显著增大,并且晶面发生了取向转变,铜基底趋向于(111)晶面择优取向分布。在制备高导电石墨烯/铜基层状复合材料的过程中,热压烧结致密化使三明治状的石墨烯包覆铜基底发生进一步晶粒取向转变,其结晶完整度和择优取向进一步提升,使得铜基底厚度方向晶粒生长为单晶态。在热压烧致密化结过程中,高温高压的同时施加使材料内部缺陷密度大幅降低,由于石墨烯促进的晶粒取向的转变,(111)晶面在材料内部呈现出一种近似于单晶长程有序的排列方式,有效降低缺陷对电子传输产生的散射作用。热压烧结致密化使三明治状的石墨烯包覆铜基底内部石墨烯-铜界面的结合能得到了200倍的提高,具有高结合强度的石墨烯-铜界面有利于载流子的传输,使样品的导电性能得到进一步提高,达到了高于纯银的水平。目前广泛使用的石墨烯衍生物,如(还原)氧化石墨烯,具有高的缺陷密度,加大了对电子的散射,严重降低了石墨烯本征的高电导率,而CVD本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种高导电石墨烯/铜基层状复合材料,其特征在于:所述复合材料包括板状铜基底以及石墨烯,所述石墨烯与铜基底交替复合构成层状结构,层内厚度方向铜基底为单晶态,且表现为高度取向(111)晶面,层内水平方向铜基底为单晶或多晶态。

【技术特征摘要】
2016.08.10 CN 20161065252671.一种高导电石墨烯/铜基层状复合材料,其特征在于:所述复合材料包括板状铜基底以及石墨烯,所述石墨烯与铜基底交替复合构成层状结构,层内厚度方向铜基底为单晶态,且表现为高度取向(111)晶面,层内水平方向铜基底为单晶或多晶态。2.根据权利要求1所述的高导电石墨烯/铜基层状复合材料,其特征在于:所述板状铜基底上下表面均匀沉积石墨烯,并诱导铜基底沿(111)择优取向,得到三明治状的石墨烯包覆铜基底。3.根据权利要求2所述的高导电石墨烯/铜基层状复合材料,其特征在于,所述的三明治状的石墨烯包覆铜基底中,铜基底为箔材或板材,层厚为1μm~500μm,铜基底的纯度≥99%。4.根据权利要求2所述的高导电石墨烯/铜基层状复合材料,其特征在于,所述的三明治状的石墨烯包覆铜基底中,石墨烯的层数为1~10层。5.根据权利要求1-4任一项所述的高导电石墨烯/铜基层状复合材料,其特征在于,所述铜基底的片数为2片以上。6.一种权利要求1-5任一项所述的高导电石墨烯/铜基层状复合材料的制...

【专利技术属性】
技术研发人员:熊定邦曹沐谭占秋范根莲李志强张荻
申请(专利权)人:上海交通大学
类型:发明
国别省市:上海;31

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