一种铜/石墨烯复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铜/石墨烯复合材料的制备方法，包括：(1)将铜盐溶液、氧化石墨烯分散液和硅烷偶联剂水解液混合均匀，得到前驱体溶液；(2)将前驱体溶液进行原位还原反应，反应产物洗涤、干燥，得到铜/石墨烯复合粉体；(3)将铜/石墨烯复合粉体与铜粉进行混料，得到混合粉体；(4)将混合粉体经过SPS烧结，得到所述铜/石墨烯复合材料。本发明专利技术铜/石墨烯复合材料的制备方法通过液相法结合原位还原法，可获得石墨烯分散性好，而铜纳米粒子负载均匀，且铜与石墨烯之间的界面结合性好的铜/石墨烯复合粉体；本发明专利技术制备方法采用放电等离子烧结的手段，可以获得更细小的铜晶粒，增强了铜/石墨烯复合材料整体的变形抗力，可提高复合材料的硬度。

【技术实现步骤摘要】
一种铜/石墨烯复合材料的制备方法
本专利技术属于粉末冶金
，具体涉及一种铜/石墨烯复合材料的制备方法。
技术介绍
铜基复合材料广泛应用于电机、建筑业、汽车制造业以及国防等各种领域，但传统的铜基复合材料具有低的强度、差的耐热性以及高温下易软化变形这些缺点，在一定程度上限制了其应用。随着现代工业的飞速发展和应用需求的急剧增加，市场对铜基复合材料的性能要求愈发严苛，因此研发具有优良导电导热同时还具有高强度的铜基复合材料成为目前亟需解决的问题。石墨烯目前是世界上已知最薄的材料，片层厚度为0.3354nm；其导电性优良，导电率为5000W·m-1·K-1，强度高达130GPa，杨氏模量大于1000GPa，石墨烯本身的优异力学性能和高的导电导热性能被认为是一种极具应用价值的材料；同时石墨烯也具有较大的比表面积(高达2630m2·g-1)，十分适合作为复合材料的载体。因此，具有优异的机械性能、导电性能和导热性能的超大比表面积的石墨烯被认为是理想的铜基复合材料的增强体，与塑性变形能力强的铜结合在一起有望开发出综合性能优异的铜/石墨烯复合材料。目前，铜/石墨烯复合材料的制备方法主要有以下几种：1、通过球磨将铜粉和石墨烯混合，然后利用热压烧结制备铜/石墨烯复合材料；2、采用分子水平的混合方法将石墨烯分散在铜基体中，然后烧结得到铜/石墨烯复合材料；3、通过化学气相沉积法在铜表面沉积一层石墨烯，然后通过热处理得到铜/石墨烯复合材料。但是，现有的铜/石墨烯复合材料普遍存在三个问题：(1)石墨烯的密度小以及片层之间较强的范德华力会导致石墨烯具有憎水性，在溶液中不易分散，产生团聚现象，严重影响金属基复合材料的性能；(2)石墨烯与金属粉末直接机械混合的时，界面强度低，烧结样品致密度、抗拉强度和硬度较低，摩擦系数较高；(3)制备工艺复杂，成本较高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种铜/石墨烯复合材料的制备方法，以提高石墨烯的分散性，增强铜基-石墨烯的界面间的结合，从而提升铜/石墨烯复合材料的硬度、致密度和抗拉强度，降低摩擦系数。本专利技术提供的这种铜/石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将铜盐溶液、氧化石墨烯分散液和硅烷偶联剂水解液混合均匀，得到前驱体溶液；(2)将步骤(1)所得前驱体溶液进行原位还原反应，得到铜/石墨烯复合粉体；(3)将步骤(2)所得铜/石墨烯复合粉体与铜粉进行混料，得到混合粉体；(4)将步骤(3)所得混合粉体经过SPS烧结，得到所述铜/石墨烯复合材料。优选的方案，所述铜盐溶液中铜的质量与氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的质量比mCu:mGO为(0.5～5):1，铜添加量过多会造成铜粒子的偏析偏聚，铜添加量过少则会造成石墨烯的偏析偏聚。优选的，所述铜盐为硫酸铜、硝酸铜、乙酸铜和氯化铜中的一种或多种。优选的，所述氧化石墨烯分散液，由以下方式得到：取5～20mL氧化石墨烯浆料加入200mL去离子水中，超声分散30～90min，得到氧化石墨烯分散液。优选的，所述硅烷偶联剂水解液，由以下方式得到：将硅烷偶联剂加入无水乙醇中，硅烷偶联剂和无水乙醇的质量比为1:(10～30)，并滴加稀硫酸调节PH至1～3，在75～85℃的温度下搅拌0.5～2h，硅烷偶联剂在铜粒子和石墨烯之间承担搭桥作用，形成二者的牢固结合，使石墨烯和铜粒子之间均匀分散而不团聚。优选的，所述硅烷偶联剂为KH540、KH550、KH560和KH570中的一种或多种。优选的，所述原位还原反应，其过程为：在前驱体溶液中滴加次亚磷酸钠溶液作为还原剂，次亚磷酸钠与铜盐溶液中铜的质量比为(1～5)：1，通过稀硫酸控制pH为1.8～2.4，保持60～90℃恒温反应30～120min。优选的，所述铜/石墨烯复合粉体与铜粉的质量比为1：(10～1000)。更优选的，所述铜/石墨烯复合粉体与铜粉的质量比为1：(50～200)。优选的，所述混料过程为：将铜/石墨烯复合粉体与铜粉加入到丙酮溶液中，铜粉与丙酮的质量体积比为0.5～3g/ml，真空干燥后，再通过V型混料机混料2～10h，整个混料过程在真空干燥箱中进行，以保证铜粉不氧化。优选的，所述SPS烧结过程为：在保护气氛下，将混合粉体置于SPS烧结炉中，控制温度为600～1000℃，压力为20～45MPa，烧结时间为5～10min。更优选的，所述SPS烧结过程为：在氩气气氛下，控制温度为750～850℃，压力为25～35MPa，烧结时间为5min。本专利技术通过液相法结合原位还原法制备铜/石墨烯复合材料，液相法可以将铜离子与氧化石墨烯实现分子混合，使铜离子均匀配位吸附在氧化石墨烯表面，而原位还原法能使铜原位沉积在氧化石墨烯表面，沉积在石墨烯表面的铜颗粒有效地阻止石墨烯片层重组，使其保持分散状态，铜与石墨烯之间的界面结合性能优异；采用放电等离子烧结制备石墨烯负载铜来增强铜基复合材料，极大提高了复合材料的机械性能，在等离子放电烧结过程中，分散在铜基体中的石墨烯导致晶界上的铜基体原子排列不规则，点阵畸变严重，并且晶界两侧的晶粒取向不同，且在V型混料机混合后，导致铜晶粒变得细小，增强了石墨烯负载铜复合材料整体的变形抗力，可提高复合材料的硬度；同时，适量的石墨烯含量还可以起到粒子强化的作用，防止复合材料的变形，增加复合材料的抗拉强度。与现有技术相比，本专利技术的有益技术效果：(1)本专利技术铜/石墨烯复合材料的制备方法通过液相法结合原位还原法，可获得石墨烯分散性好，而铜纳米粒子负载均匀，且铜与石墨烯之间的界面结合性好的铜/石墨烯复合粉体。(2)本专利技术铜/石墨烯复合材料的制备方法采用放电等离子烧结的手段，可以获得更细小的铜晶粒，增强了铜/石墨烯复合材料整体的变形抗力，可提高复合材料的硬度。(3)本专利技术铜/石墨烯复合材料的制备方法流程简单、成本低，对设备要求低，有利于工业化应用。(4)本专利技术制备得到的铜/石墨烯复合材料，在保证具有优异抗拉性能的同时，极大降低了磨损率和摩擦系数，并较大幅度提升复合材料导电性能，相对现有的铜基复合材料产品，具有较大的性能优势。附图说明图1为本专利技术实施例1所得铜/石墨烯复合粉体的SEM图。图2为本专利技术实施例1～4所得铜/石墨烯复合粉体的XRD图。图3为本专利技术实施例1经过SPS烧结后的铜/石墨烯复合材料的SEM图。图4为本专利技术实施例1所得石墨烯负载铜复合材料的磨损SEM图，其中：a、b为不同倍数下复合材料磨损后的形貌图。图5为对比例1所得铜基石墨烯复合材料的SEM图。具体实施方式下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部实施例，基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。下面结合附图和具体实施例对本专利技术进一步说明。实施例1本专利技术提供一种铜/石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)称取3.2g硫酸铜溶于500ml的去离子水，得到铜盐溶液；移取10ml氧化石墨烯浆料加入200mL去离子水中，超声分散60min，得到氧化石墨烯分散液；移取10mL硅烷偶联剂KH550于200mL无水乙醇中，滴加稀硫酸调节PH值至2.0，在80℃的温度下搅拌60min，得到硅烷偶联剂水解液；将铜盐溶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铜/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将铜盐溶液、氧化石墨烯分散液和硅烷偶联剂水解液混合均匀，得到前驱体溶液；(2)将步骤(1)所得前驱体溶液进行原位还原反应，得到铜/石墨烯复合粉体；(3)将步骤(2)所得铜/石墨烯复合粉体与铜粉进行混料，得到混合粉体；(4)将步骤(3)所得混合粉体经过SPS烧结，得到所述铜/石墨烯复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种铜/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将铜盐溶液、氧化石墨烯分散液和硅烷偶联剂水解液混合均匀，得到前驱体溶液；(2)将步骤(1)所得前驱体溶液进行原位还原反应，得到铜/石墨烯复合粉体；(3)将步骤(2)所得铜/石墨烯复合粉体与铜粉进行混料，得到混合粉体；(4)将步骤(3)所得混合粉体经过SPS烧结，得到所述铜/石墨烯复合材料。2.根据权利要求1所述的铜/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述铜盐溶液中铜的质量与氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的质量比为(0.5～5):1。3.根据权利要求1或2所述的铜/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述铜盐为硫酸铜、硝酸铜、乙酸铜和氯化铜中的一种或多种。4.根据权利要求1或2所述的铜/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯分散液，由以下方式得到：取5～20mL氧化石墨烯浆料加入200mL去离子水中，超声分散30～90min，得到氧化石墨烯分散液。5.根据权利要求1或2所述的铜/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述硅烷偶联剂水解液，由以下方式得到：将硅烷偶联剂加入无水乙醇中，硅烷偶联剂和无水乙醇的质量比为1:(10～30)，滴加稀硫酸调节pH至1～3，在75～...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹俭鹏，刘咏，吕信群，甘子旸，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43