一种金属石墨烯复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种金属石墨烯复合材料及其制备方法，涉及材料领域。一种金属石墨烯复合材料，包括金属基底、渗铜层和石墨烯薄膜，所述金属基底与渗铜层冶金结合，所述石墨烯薄膜生长于渗铜层的外表面。所述金属石墨烯复合材料的制备方法，首先在基底表面形成渗铜层，然后在渗铜层表面形成石墨烯薄膜。本发明专利技术金属石墨烯复合材料，由于石墨烯具有优异的力学性能，使得石墨烯薄膜对纯金属或合金表面润滑性能得到了大幅度提高，降低了纯金属或合金表面的摩擦力，提高了纯金属或合金的润滑寿命。本发明专利技术金属石墨烯复合材料的制备方法，能够在大面积金属材料上生长石墨烯，无需腐蚀铜箔，制备工艺简单，生产成本低，便于工业化生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及材料领域，具体涉及。
技术介绍
石墨烯作为目前世界上强度最高的物质，杨氏模量高达lTPa，且密度较小，因此具 有较高的E/P共振频率，是当前微电子机械系统材料不可或缺的一部分。另外，石墨烯断 裂强度高达130Gpa，是钢的200倍，除了具有最高的强度之外，其摩擦系数最低，润滑性能 很好。石墨烯在力学方面的特殊性能将成为未来空间和信息技术中基本构件的候选材料之 〇 目前，人们利用石墨烯优异的润滑性能，主要通过氧化还原法制备石墨烯以及经 过化学气相沉积法在不同衬底上的转移获得石墨烯的应用。采用化学吸附和氧化石墨烯的 热还原多步反应法，在硅片上制备出的氧化还原石墨烯（RG0)缺陷多，工艺复杂；近期美国 阿贡国家实验室科学家A. Sumant等人，通过将商业化石墨烯片吸附在钢板上，发现其摩擦 系数降低了 85%，耐磨性提高了近两倍，其所用方法主要是通过在钢表面吸附大量的氧化还 原石墨烯，该方法并未能实现石墨烯与基体直接的紧密结合，摩擦过程中由于吸附的氧化 石墨烯不能保证均匀地分布在钢表面且易石墨化；而人们通过在铜表面化学气相沉积生长 的石墨烯，需经过铜腐蚀之后再转移到硅片上，利用该方法所测的石墨烯具有较好的润滑 性能，但是载荷小，且摩擦寿命低，重要的是需要消耗大量的铜材料，材料浪费严重。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供金属石墨烯复合材料，由于石墨烯具有优异的力学性能，使 得石墨烯薄膜对纯金属或合金表面润滑性能得到了大幅度提高，降低了纯金属或合金表面 的摩擦力，提高了纯金属或合金的润滑寿命。 本专利技术的另一目的是提供金属石墨烯复合材料的制备方法，能够在大面积金属材 料上生长石墨烯，无需腐蚀铜箔，制备工艺简单，生产成本低，便于工业化生产。 -种金属石墨烯复合材料，包括金属基底、渗铜层和石墨烯薄膜，所述金属基底与 渗铜层冶金结合，所述石墨烯薄膜生长于渗铜层的外表面。 所述金属石墨烯复合材料的制备方法，首先在基底表面形成渗铜层，然后在渗铜 层表面形成石墨烯薄膜。 所述基底的材料为纯金属或合金。 采用双辉等离子表面合金化的方法在所述基底表面形成渗铜层。 采用化学气相沉积法在渗铜层表面催化生长形成石墨烯薄膜。 所述双辉等离子表面合金化的方法包括如下步骤： (1)在双层辉等离子表面冶金炉中，将基底作为工件极，将铜材料作为源极靶材，基底 与铜材料的间距为极间距；工件极、源极为阴极，所述双层辉等离子表面冶金炉的腔室为阳 极； (2) 在氩气氛下，设置工件极电压为300-400 V，预轰击基底；调节工件极电压为 300-500 V，将源极电压调整到750-850V，使工件极温度达到700-800°C，保温2-4小时； (3) 关闭源极电源，调整氩气压到10-25 Pa，将工件极电压降到200-300 V，微辉保护降 温；停止通入氩气，关闭工件极电源，炉内抽到极限真空，冷却到室温，出炉。 所述化学气相沉积法包括如下步骤： (1) 将表面形成了渗铜层的基底放入管式炉中，持续通入甲烷和氢气，升温至 900-1200°C，保温25-35 min ;所述甲烷的体积流量为90-llOsccm，所述氢气的体积流量为 15-25 seem ； (2) 调整氢气体积流量为55-65sccm，在900-1200°C保温10-15min ; (3) 停止通入甲烷，调整氢气体积流量为15-25 seem，降温至室温。 本专利技术方法的优点如下： (1)本专利技术金属石墨烯复合材料包括金属基底、渗铜层和石墨烯薄膜，金属基底与渗铜 层冶金结合，石墨烯薄膜生长于渗铜层的外表面。由于金属基底与渗铜层冶金结合，所以铜 固溶于金属基底内部，达到一定固溶度之后，从基底内部析出铜层，作为石墨烯催化生长的 载体。本专利技术金属石墨烯复合材料在纯金属或合金表面形成渗铜层，然后在渗铜层表面催 化生长石墨烯薄膜（l-l〇nm)，由于石墨烯具有优异的力学性能，使得石墨烯薄膜对纯金属 或合金表面润滑性能得到了大幅度提高，降低了纯金属或合金表面的摩擦力，提高了纯金 属或合金的润滑寿命。因此，本专利技术金属石墨烯复合材料各组成部分之间结合紧密。 (2)本专利技术采用双辉等离子表面合金化技术实现了在纯金属或合金表面获得易于 石墨烯生长的渗铜层结构，该方法可实现不同导电材料表面的渗镀处理，该技术以纯金属 或合金作为基材，铜作为靶材，进行表面合金化处理，形成与基底冶金结合的渗铜层，渗层 厚度能达到20-100微米，且渗铜层结构以（111)(200)和（220)方向为主，具有常规生长石 墨烯所需铜箔的晶体结构，同时避免后期高温生长石墨烯时铜膜的蒸发。 (3)本专利技术采用化学气相沉积法在纯金属或合金的渗铜层表面制备石墨烯，无需 通过牺牲铜箔再把石墨烯转移到不同衬底的过程，既节省了铜材料的消耗又避免了转移过 程中不同因素所导致的石墨烯质量的变化，方法简单，未来产业化成本低。 【附图说明】 图1金属石墨烯复合涂层的表面形貌（SEM)。 图2是316L不锈钢表面的渗铜层的XRD图谱。 图3渗铜层表面形成的石墨烯薄膜的拉曼光谱。 【具体实施方式】 实施例1 1.采用双层辉等离子表面冶金炉在316L不锈钢基底表面形成渗铜层 以高纯铜作为渗铜层所需的源极祀材，该祀材的尺寸为100 mmXlOO mmX5mm，纯度 99. 99%。铜靶材用砂纸打磨干净露出新鲜表面，经丙酮及超声清洗，吹干。 将316L不锈钢表面用1000#砂纸除去表面钝化层，并用金刚石研磨膏进行抛光处 理，随后用丙酮超声清洗。 在双层辉等离子表面冶金炉中，将预处理好的316L不锈钢作为工件极，放在基盘 上并用保温罩保护；将预处理好的铜靶材作为源极固定在工件极上方，316L不锈钢与铜靶 材的间距为极间距，18mm。工件极、源极为阴极，双层辉等离子表面冶金炉的腔室作为阳极。 具体操作如下： (1)打开真空泵，将炉内抽到极限真空度（2. Ο X l(T4Pa)，充入氩气至20Pa，重新抽到极 限真空度（2. 0Xl(T4Pa)，如此往复2-3次，尽可能排除炉内的空气。 (2)充入氩气到20 Pa，打开冷却水，打开工件极电源并施加350 V电压，对316L 不锈钢预轰击10分钟，一方面对316L不锈钢进行清洗，另一方面活化其表面以便于活性原 子的吸附。 (3)预轰击之后，将工件极电压调至450 V工作，工件极电流控制在2. 0A，将源极 电压调整到800V，源极电流控制在1. 5A，使工件极达到工作温度750°C，稳定各工艺参数并 开始保温4小时。 (4)关闭源极电源，将氩气压调到15 Pa，将工件极电压降到250V，微辉保护降温。 (6)停止通入氩气，关闭工件极电源，将炉内抽到极限真空度1ΧΚΓ4 Pa -3 X 1 (T4Pa，冷却到室温出炉。 由图1可以看出，处理后的316L不锈钢基底表面形成渗铜层，渗铜层与基底之间 冶金结合。渗铜层厚度约为15-20微米，作为石墨烯催化生长的载体，经过石墨烯生长之后 变化多边形结构，且与金属基底形成紧密结合。图2为不锈钢表面渗铜后的能谱，由该图可 以看出在不锈钢表面形成具有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属石墨烯复合材料，其特征在于包括金属基底、渗铜层和石墨烯薄膜，所述金属基底与渗铜层冶金结合，所述石墨烯薄膜生长于渗铜层的外表面。

【技术特征摘要】
1. 一种金属石墨烯复合材料，其特征在于包括金属基底、渗铜层和石墨烯薄膜，所述金 属基底与渗铜层冶金结合，所述石墨烯薄膜生长于渗铜层的外表面。2. 权利要求1所述金属石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于首先在基底表面形成 渗铜层，然后在渗铜层表面形成石墨烯薄膜。3. 根据权利要求2所述金属石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于所述基底的材料 为纯金属或合金。4. 根据权利要求3所述金属石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于采用双辉等离子 表面合金化的方法在所述基底表面形成渗铜层。5. 根据权利要求4所述金属石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于采用化学气相沉 积法在渗铜层表面催化生长形成石墨烯薄膜。6. 根据权利要求5所述金属石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于所述双辉等离子 表面合金化的方法包括如下步骤： (1) 在双层辉等离子表面冶金炉中，将基底作为工件极，将铜材料作为源极靶材，基底 与铜材料的间距为极间距；工件极、源极为阴极，所述双层辉等离子表面冶金炉的...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴红艳，顾正彬，杭烨超，李胤，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32