一种高强、高导石墨烯/铜纳米复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种高强、高导石墨烯/铜复合材料及其制备方法和应用。所述复合材料的铜基体呈均匀三维纳米尺度分布，尺度介于10～100nm，优选30nm‑80nm；石墨烯在复合材料内部呈三维互联网络结构，平均层数为1～10层。本发明专利技术所获得的石墨烯/铜纳米复合材料具有强度高、模量高、电导率高的特点，可用作各种类型的传导材料。

A high strength and high conductivity graphene / copper nanocomposite and its preparation and Application

The invention relates to a high strength and high conductivity graphene / copper composite material and a preparation method and application thereof. The copper matrix of the composite has a uniform three-dimensional nanoscale distribution. The scale is between 10 and 100nm, and 30nm 80nm is selected. The graphene has a three-dimensional network structure in the composite, and the average number of layers is 1~10 layers. The graphene / copper nanocomposite obtained by the invention has the characteristics of high strength, high modulus and high conductivity, and can be used as various conductive materials.

【技术实现步骤摘要】
一种高强、高导石墨烯/铜纳米复合材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种高强、高导石墨烯/铜纳米复合材料及其制备方法和应用，属于金属基复合材料

技术介绍
纯铜是电阻率最低的金属材料之一，广泛应用于电力、电子、机械等工业领域。但纯铜也因力学性能较低已经越来越难以满足工业发展的需求，如电气化高速铁路接触线的理想性能指标为抗拉强度≥550MPa、弹性模量≥140GPa、电导率≥90％IACS。因此兼具高强度、高模量、高电导性能的铜材料已成为开发的重点。近年来，碳材料增强体石墨烯引入金属基体的研究逐渐兴起。其独特结构所赋予的高强度(抗拉强度～130GPa)、高模量(弹性模量～1TPa)、高电导(电子迁移率～2×105cm2/Vs)特性为铜基复合材料实现高强度(≥550MPa)、高模量(≥140GPa)、高电导(≥90％IACS)性能提供了可能。对现有技术的文献检索发现，文献(1)“UltrahighStrengthandHighElectricalConductivityinCopper”(超高强度、高电导率铜)通过脉冲电沉积法制备了具有高密度纳米孪晶的纯铜样品，孪晶片层的平均值为15nm，高密度纳米孪晶界在有效限制位错运动的同时对电子输运的散射能力很低，使纳米孪晶铜的断裂强度达到了1068MPa，电导率为98.4％IACS。然而由于缺乏高模量增强体的引入，纳米孪晶铜的弹性模量处于110GPa～120GPa不满足使用要求。文献(2)“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)将氧化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、还原和烧结获得还原氧化石墨烯/铜(rGO/Cu)复合材料。该复合材料内部铜基体呈亚微米尺度(100nm～500nm)，且使用力学和电学性能因结构破坏而下降的氧化石墨烯增强体，增强体体积分数2.5％，复合材料抗拉强度335MPa，弹性模量131GPa、电导率50％IACS，不满足使用要求。文献(3)“Aligninggrapheneinbulkcopper:Nacre-inspirednanolaminatedarchitecturecoupledwithin-situprocessingforenhancedmechanicalpropertiesandhighelectricalconductivity”(在块体铜中排列石墨烯：导致机械性能提升和高电导率的受珍珠层启发的纳米叠层结构以及原位工艺)对商业球状铜粉进行球磨，获得片状形貌，利用有机溶剂将PMMA包覆于片状铜粉表面，在高温、氢气气氛条件下将PMMA原位转化为石墨烯，获得石墨烯/铜片状复合粉末，最后通过热压烧结、热轧工艺获得纳米叠层石墨烯/铜复合材料。该复合材料内部铜基体片层厚度呈亚微米尺度(～660nm)，增强体体积分数2.5％，复合材料抗拉强度378MPa，弹性模量135GPa、不满足使用要求。但高质量原位生长石墨烯的引入使复合材料保持了高电导率(93.8％IACS)。因此，总结现有技术的特点与缺陷，制备抗拉强度≥550MPa、弹性模量≥140GPa、电导率≥90％IACS的高强、高导石墨烯/铜复合材料需要解决如下技术问题：(1)复合材料内部纳米尺度(＜100nm)铜基体的获取，加大晶界对位错运动的阻碍作用，提高铜基体强度；(2)复合材料内部高密度石墨烯/铜界面的引入，加大界面对位错运动的阻碍作用，同时提高石墨烯体积分数，使复合材料获得高强度、高模量；(3)高质量石墨烯的引入，发挥其二维高导、高电子迁移率的本征性能，使复合材料保持高电导率。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术通过构建均匀三维纳米尺度分布的铜基体，并在此基础上引入碳源，最后烧结获得一种高强、高导石墨烯/铜纳米复合材料。本专利技术是通过以下技术方案实现的。一种高强、高导石墨烯/铜复合材料，其铜基体呈均匀三维纳米尺度分布，尺度介于10～100nm，优选30nm-80nm；石墨烯在复合材料内部呈三维互联网络结构，平均层数为1～10层。所述复合材料的抗拉强度为580-650MPa、弹性模量为150-220GPa、电导率为90-97％IACS。本专利技术还提供上述高强、高导石墨烯/铜复合材料的制备方法，包括：以Cu-Mn二元合金板或Cu-Ni二元合金板作为阳极，经电化学刻蚀去合金化，获得纳米多孔铜；引入碳源，并在纳米多孔铜表面均匀生长石墨烯，经热压烧结致密化，得到石墨烯/铜复合材料。其中，所述二元合金板中Mn或Ni的质量分数为50～90％(如70％、80％)，合金板厚度为10～1000μm，优选100-500μm。所述电化学刻蚀步骤中，电解质为酸的水溶液，电势差为0.01～0.30V，优选0.05-0.30V；刻蚀时间为0.5～50小时。所述电解质可为HCl水溶液，浓度为0.01～0.50mol/L，优选为0.05-0.50mol/L；或H2SO4水溶液，浓度为0.005～0.25mol/L，优选为0.025-0.25mol/L；或H3PO4水溶液，浓度为0.005～0.20mol/L，优选为0.02-0.20mol/L。所述碳源选自气态碳源和/或固态碳源；其中，气态碳源为甲烷或乙炔；固态碳源为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚苯乙烯(PS)。同时，依据碳源不同种类，其引入方式和石墨烯生长方式也相应不同，具体如下：当碳源为气态碳源时，石墨烯沉积条件为：气态碳源流量为1sccm～10sccm，氢气流量为10sccm～30sccm，氩气流量为50sccm～150sccm，保持管内压力＜1Torr，温度为600℃～700℃。具体实施步骤如下：(1)将纳米多孔铜置于管式炉内，调节气态碳源流量为1sccm～10sccm，氢气流量为10sccm～30sccm，氩气流量为50sccm～150sccm，保持管内压力＜1Torr；(2)在温度为600℃～700℃条件下进行石墨烯沉积，沉积时间为5分钟～20分钟；(3)停止气态碳源引入，保持管内压力＜200mTorr直至炉温冷却至室温，即得到纳米多孔石墨烯/铜。当碳源种类为固态碳源时，先利用真空浸渍方法获得纳米多孔PMMA/铜或PS/铜，再进行石墨烯生长；所述浸渍条件为：浸渍液为0.5～5.0g/L聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯的苯甲醚或氯仿溶液，烘干温度为70-90℃；所述石墨烯生长条件为：氢气流量为5sccm～15sccm，氩气流量为100sccm～200sccm，保持管内压力＜1Torr，温度为800℃～1000℃，时间为1～2小时。具体实施步骤如下：(1)利用真空浸渍方法将0.5～5.0g/L聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚苯乙烯(PS)加入溶剂中，搅匀，再引入纳米多孔铜结构内部，之后在70-90℃(如80℃)烘干，获得纳米多孔PMMA/铜或PS/铜；所述统计为苯甲醚或氯仿；(2)将纳米多孔PMMA/铜或PS/铜置于管式炉内，调节氢气流量为5sccm～15sccm本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高强、高导石墨烯/铜复合材料，其特征在于，其铜基体呈均匀三维纳米尺度分布，尺度介于10～100nm，优选30nm‑80nm；石墨烯在复合材料内部呈三维互联网络结构，平均层数为1～10层。

【技术特征摘要】
1.一种高强、高导石墨烯/铜复合材料，其特征在于，其铜基体呈均匀三维纳米尺度分布，尺度介于10～100nm，优选30nm-80nm；石墨烯在复合材料内部呈三维互联网络结构，平均层数为1～10层。2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述复合材料的抗拉强度为580-650MPa、弹性模量为150-220GPa、电导率为90-97％IACS。3.一种高强、高导石墨烯/铜复合材料的制备方法，其特征在于，包括：以Cu-Mn二元合金板或Cu-Ni二元合金板作为阳极，经电化学刻蚀去合金化，获得纳米多孔铜；引入碳源，并在纳米多孔铜表面均匀生长石墨烯，经热压烧结致密化，得到石墨烯/铜复合材料。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述二元合金板中Mn或Ni的质量分数为50～90％，合金板厚度为10～1000μm，优选100-500μm。5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，电解质为酸的水溶液，电势差为0.01～0.30V，优选0.05-0.30V；所述电解质优选为HCl水溶液、H2SO4水溶液或H3PO4水溶液。6.根据权利要求3-5任一所述的制备方法，其特征在于，所述碳源选自气态碳源和/或固态碳源；所述气态碳源优...

【专利技术属性】
技术研发人员：章潇慧，熊定邦，曹沐，张丽娇，陈朝中，张荻，
申请(专利权)人：中车工业研究院有限公司，上海交通大学，
类型：发明
国别省市：北京,11