一种高强高导石墨烯增强铜基复合材料及制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及复合材料制备技术领域，具体涉及一种高强高导石墨烯增强铜基复合材料及制备方法与应用。本发明专利技术采用球形铜粉末为基体材料，石墨烯作为增强相，通过石墨烯液相分散、球磨预分散、表面包覆、热等静压、热挤压等步骤，制备出接近全致密、导电性能好、抗拉强度高，硬度高及延伸率高的高强高导石墨烯增强铜基复合材料。该方法工艺可控性好，易于规模化生产，制得的高强高导石墨烯增强铜基复合材料组织均匀，石墨烯与基体界面结合良好，性能稳定，在汽车、航空航天和电子领域中具有巨大的应用前景。

A high strength and high conductivity graphene reinforced copper matrix composite and its preparation and Application

The invention relates to the technical field of preparation of composite materials, in particular to a high strength and high conductivity graphene reinforced copper matrix composite and a preparation method and application thereof. The present invention uses spherical copper powder as matrix material, graphene as an enhanced phase, and through the steps of liquid dispersion of graphene, ball milling pre dispersing, surface coating, hot isostatic pressing, hot extrusion and so on, the high strength and high conductivity graphite reinforced copper base with high conductivity, good electrical conductivity, high tensile strength, high hardness and high elongation is prepared. Compound material\u3002 The method has good technological controllability and easy scale production. The high strength and high conductivity graphite reinforced copper matrix composites made by high strength and high conductivity are evenly organized, the interface of graphene and the matrix is good, and the properties are stable. It has great application prospect in the field of automobile, aerospace and electronics.

【技术实现步骤摘要】
一种高强高导石墨烯增强铜基复合材料及制备方法与应用
本专利技术涉及复合材料制备
，具体涉及一种高强高导石墨烯增强铜基复合材料及制备方法与应用。
技术介绍
石墨烯(Graphene)是一种由碳原子构成的单层片状结构新材料。2004年英国科学家首次成功制备出石墨烯薄片，其内部碳原子均以结合强度极高的σ键结合，同时每个碳原子又可以提供一个未成键的自由电子。这种独特的结构决定了其具有高强度和良好的导电性，其强度高达130GPa，载流子迁移率为15000cm2/(Vs)，二者均为目前已知材料之最。不但如此，石墨烯还具有很高的比表面积和热导率，以及分子、量子、隧道效应等独特性质。铜基复合材料因为良好的导电导热和加工性能使其在汽车、航空航天和电子领域具有广泛的应用前景。随着这些领域的快速发展，对铜基复合材料的要求越来越高，传统的纤维和颗粒增强体虽然可以提高材料的力学性能，但往往使其导电导热性能降低。因此，研发具有优良导电导热性能同时具有高强度的铜基复合材料成为目前亟需解决的问题。石墨烯因其高的导电导热性能和优异的力学性能被认为是理想的铜基复合材料增强体。目前，国内外关于石墨烯铜基复合材料的研究集中在石墨烯对铜基体力学性能的增强效果上，对其综合性能的关注较少，易于实现的大块体材料均未达到高强高导铜的级别。李彬等采用球磨和烧结相结合的方法，将氧化石墨烯溶液和纳米铜粉混合，制备得到石墨烯增强铜基复合材料。实验结果表明，其压缩屈服强度仅70MPa，低于纯铜，原因可能和氧化石墨烯发生严重的团聚有关。杨帅等以石墨和纳米铜粉为原料，通过均质机械剥离制备得到纳米铜粉和少层石墨烯复合粉体，用电火花烧结工艺制备石墨烯增强铜基复合材料。结果表明，其压缩屈服强度比铜基体高约300MPa；拉伸屈服强度比铜基体高60MPa。公开号为CN102385938A的中国专利技术专利，提供了一种金属基石墨烯复合电接触材料的制备方法，采用0.02wt％～10wt％的石墨烯，通过化学还原结合真空熔炼法制备复合材料，使其具有更高的导电性能和耐磨性，抗熔焊能力更强。但因使用有毒有害的水合肼为还原剂，不能满足环保的要求，同时高温熔炼一定程度上破坏了石墨烯特有的结构。公开号为CN103952588A的中国专利技术专利，提供一种高强高导石墨烯铜复合材料及其制备方法，采用水合肼还原加有氧化石墨烯的硫酸铜溶液，得到纳米铜和石墨烯，将复合粉末进行氢气还原处理后，利用等离子烧结技术制备出块体石墨烯铜复合材料。该专利技术中金属铜直接与石墨烯复合，制备工艺简单。但是，铜颗粒细小，极易氧化，后续氢气还原难以彻底进行。另外，由于等离子烧结设备的限制，无法实现大规格材料的制备。公开号为CN104711443A的中国专利技术专利，提供一种石墨烯/铜复合材料及其制备方法，将铜镍合金粉与鳞片石墨共同机械球磨，借助机械力剥离出石墨烯，再通过粉末冶金、热挤压、轧制技术得到石墨烯/铜块材、丝材和带材。该专利技术中石墨烯与基体界面结合良好，工艺简单，过程易控，易实现规模化生产。但其制备的复合材料导电性能仅有63.84～71.84％IACS，拉伸强度为246～250MPa，达不到高强高导铜基复合材料的要求。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足和缺点，本专利技术的首要目的在于提供一种高强高导石墨烯增强铜基复合材料的制备方法，该方法采用球形纯铜粉为基体材料，石墨烯作为增强相，通过石墨烯液相分散、球磨预分散、表面包覆、热等静压、热挤压等步骤，可控性好，易于规模化生产。本专利技术的另一目的在于提供上述制备方法制备得到的高强高导石墨烯增强铜基复合材料，该复合材料接近全致密、导电性能好、抗拉强度高，硬度高及延伸率高，且组织均匀，石墨烯与基体界面结合良好，性能稳定。本专利技术的再一目的在于提供上述高强高导石墨烯增强铜基复合材料的应用。本专利技术的目的通过下述技术方案实现：一种高强高导石墨烯增强铜基复合材料的制备方法，包含如下步骤：(1)将石墨烯与无水乙醇混合，进行高速剪切分散处理和超声振荡处理，得到石墨烯单分散液；将石墨烯单分散液与铜粉末均匀混合，进行球磨预分散，得到石墨烯/铜复合粉与乙醇的混合液；(2)搅拌条件下，将步骤(1)制得的石墨烯/铜复合粉与乙醇的混合液水浴加热至粘稠状，然后干燥，得到石墨烯铜复合物；(3)将步骤(2)制得的石墨烯铜复合物进行包覆处理，得到核壳结构的石墨烯铜复合物，进一步提高石墨烯分散均匀性；(4)将步骤(3)制得的核壳结构的石墨烯铜复合物进行氢气还原处理，将复合物中夹杂的氧还原，得到石墨烯铜粉；(5)将步骤(4)制得的石墨烯铜粉进行冷等静压成型，得到冷压坯锭；(6)将步骤(5)制得的冷压坯锭焊接包套后，加热条件下，对包套抽真空处理，除去石墨烯铜坯锭中的蒸汽、夹杂气体等，当真空度小于1.0×10-3Pa时，将包套焊接密封；(7)将步骤(6)焊接密封后的包套进行热等静压处理，得到石墨烯增强铜基复合材料；(8)将石墨烯增强铜基复合材料进行热挤压成型，得到高强高导石墨烯增强铜基复合材料；步骤(1)中所述的高速剪切分散处理的转速优选为2000～7000rpm，时间为0.5～5h；优选采用高速剪切分散机进行；步骤(1)中所述的超声振荡处理的时间优选为0.5～5h；优选采用超声细胞粉碎仪进行，超声频率为50KHz；步骤(1)中所述的铜粉末的粒径优选为10～50μm的球形铜粉末，质量优选为0.3～1.5kg；步骤(1)中所述的石墨烯的用量为铜粉末的质量的0.1％～1％；步骤(1)中所述的铜粉末与无水乙醇的质量体积比(kg：L)优选为0.15～3；步骤(1)中所述的球磨的球料比优选为10～50，时间优选为2～18h，转速优选为100～500rpm；步骤(1)中所述的球磨优选将石墨烯单分散液与铜粉末混合物加入球磨罐中进行球磨，根据不同添加量选择合适大小的球磨罐，混合物总量不超过球磨罐容积的2/3；步骤(2)中所述的水浴加热的温度优选为50～110℃；步骤(2)中所述的水浴加热优选为机械搅拌下进行水浴加热，搅拌转速为1000～5000rpm；水浴加热的时间的长短视所干燥重量确定，以达到粘稠状为准；步骤(2)中所述的干燥的条件优选为50～110℃干燥1～10h，以确保完全干燥为准；步骤(2)中所述的干燥优选在真空干燥箱中进行；步骤(3)中所述的包覆处理优选在表面改性包覆设备中进行；其中，向表面改性包覆设备每次加入步骤(2)制得的石墨烯铜复合物的质量为0.3～3kg，运行转速为1000～5000rpm，运行时间为10～60min；步骤(4)中所述的氢气还原处理的条件优选为：氢气气氛下，200～500℃处理1～10h；由于球磨及加热干燥及表面包覆过程中会有部分铜粉被氧化，从而降低复合材料的导电性能，通过对石墨烯铜复合粉末进行还原处理，提高复合材料的导电性能；步骤(5)中所述的冷等静压成型条件优选为：冷等静压压力为100～500MPa，冷等静压时间为10～60min；步骤(5)中所述的石墨烯铜粉优选装入橡胶包套中，装入粉末的同时进行振荡，提高松装密度，密封后放入冷等静压机中冷压成型；步骤(6)中所述的包套的材质为TU1、不锈钢、碳钢中的一种；步骤(6)中所述的抽真空处理的温度优选为200～800℃，时间为1～8h；步骤(7)中所述的热等本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高强高导石墨烯增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于包含如下步骤：(1)将石墨烯与无水乙醇混合，进行高速剪切分散处理和超声振荡处理，得到石墨烯单分散液；将石墨烯单分散液与铜粉末均匀混合，进行球磨预分散，得到石墨烯/铜复合粉与乙醇的混合液；(2)搅拌条件下，将步骤(1)制得的石墨烯/铜复合粉与乙醇的混合液水浴加热至粘稠状，然后干燥，得到石墨烯铜复合物；(3)将步骤(2)制得的石墨烯铜复合物进行包覆处理，得到核壳结构的石墨烯铜复合物；(4)将步骤(3)制得的核壳结构的石墨烯铜复合物进行氢气还原处理，将复合物中夹杂的氧还原，得到石墨烯铜粉；(5)将步骤(4)制得的石墨烯铜粉进行冷等静压成型，得到冷压坯锭；(6)将步骤(5)制得的冷压坯锭焊接包套后，加热条件下，对包套抽真空处理，当真空度小于1.0×10

【技术特征摘要】
1.一种高强高导石墨烯增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于包含如下步骤：(1)将石墨烯与无水乙醇混合，进行高速剪切分散处理和超声振荡处理，得到石墨烯单分散液；将石墨烯单分散液与铜粉末均匀混合，进行球磨预分散，得到石墨烯/铜复合粉与乙醇的混合液；(2)搅拌条件下，将步骤(1)制得的石墨烯/铜复合粉与乙醇的混合液水浴加热至粘稠状，然后干燥，得到石墨烯铜复合物；(3)将步骤(2)制得的石墨烯铜复合物进行包覆处理，得到核壳结构的石墨烯铜复合物；(4)将步骤(3)制得的核壳结构的石墨烯铜复合物进行氢气还原处理，将复合物中夹杂的氧还原，得到石墨烯铜粉；(5)将步骤(4)制得的石墨烯铜粉进行冷等静压成型，得到冷压坯锭；(6)将步骤(5)制得的冷压坯锭焊接包套后，加热条件下，对包套抽真空处理，当真空度小于1.0×10-3Pa时，将包套焊接密封；(7)将步骤(6)焊接密封后的包套进行热等静压处理，得到石墨烯增强铜基复合材料；(8)将石墨烯增强铜基复合材料进行热挤压成型，得到高强高导石墨烯增强铜基复合材料。2.根据权利要求1所述的高强高导石墨烯增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的高速剪切分散处理的转速为2000～7000rpm，时间为0.5～5h；步骤(1)中所述的超声振荡处理的时间为0.5～5h。3.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王德升，王鹏云，冯岩，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七二五研究所，
类型：发明
国别省市：河南,41