基于还原氧化石墨烯和铜复合材料的成型件制备方法技术

本发明专利技术涉及基于还原氧化石墨烯和铜复合材料的成型件制备方法，该方法采用湿法球磨制备氧化石墨烯/铜混合粉体，然后将混合粉体在氢气气氛下还原，最后通过复压复烧的粉末冶金方法获得了还原氧化石墨烯/铜复合材料。本发明专利技术方法很好地实现了还原氧化石墨烯均匀分散到铜基体中，制备的还原氧化石墨烯/铜复合材料具有高强度、高塑性和高导电性的优点，而且复压复烧的烧结成型方法工艺简单可控，生产成本较低，生产效率较高，易于实现大规模的工业化生产。本发明专利技术制备的成型件氧化物少，气孔少，致密度高，具有高强、高导电、高塑性等优异的综合性能。

Preparation method of forming parts based on reduced graphene oxide and copper composite

【技术实现步骤摘要】
基于还原氧化石墨烯和铜复合材料的成型件制备方法
本专利技术涉及高强高导复合材料成型领域，具体涉及基于还原氧化石墨烯和铜复合材料的成型件制备方法。
技术介绍
铜及铜合金具有优异的导电、导热性及良好延展性。然而传统铜及铜合金的强硬度低，极大地限制了其应用范围。石墨烯是一种新型的二维纳米材料，除了具有强度高、密度低的特性，还具有超高的电子迁移率(2×105cm2/V·s)、电导率和热导率(5×103W/m·K)等优良性能，适用于功能性复合材料的研发。目前，以石墨烯作为增强相制备的石墨烯/铜复合材料强硬度均获得了提升。但由于石墨烯与铜的界面润湿性不好，难以实现均匀分散，导致复合材料的导电性和塑性较差。与石墨烯相比，氧化石墨烯表面存在大量羟基、羧基等亲水基团，具有更好的分散性及湿润性，而在还原或高温环境下官能团发生分解，氧化石墨烯还原成还原氧化石墨烯，从而重新具备石墨烯的优良性能，这些使得氧化石墨烯成为一种制备高性能金属基复合材料的理想增强体。此外，现有的石墨烯/铜基复合材料的制备工艺均存在设备要求高，制样效率低，不利于石墨烯/铜基复合材料的更广泛应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是：针对上述现有技术状况，本专利技术旨在提供一种工艺简单、成本低、制备效率高的石墨烯/铜复合材料的制备方法，在提高强硬度的同时，仍然保持其良好的导电性和塑性，达到铜材料应用领域拓宽的需求。本专利技术的技术方案是：提供提供一种基于还原氧化石墨烯和铜复合材料的成型件制备方法，该方法的步骤为：步骤1、将氧化石墨烯粉体和铜粉体均加入到无水乙醇中形成混合溶液；将混合溶液装入球磨罐，在真空状态进行机械球磨，获得混合溶液，将混合溶液在真空环境下干燥获得混合粉体；步骤2、将混合粉体在氢气气氛下进行还原处理获得还原混合粉体，使得氧化石墨烯还原为还原氧化石墨烯；步骤3、将还原混合粉体装入模具中，对模具进行压力加载，制备出复合粉体压坯；步骤4、对所述粉体压坯进行真空烧结后冷却至室温，获得初烧成型件；步骤5、用压片机加载700～1000MPa压力对初烧成型件进行压力加载；步骤6、对初烧成型件再次进行真空烧结，脱模获得成型件。进一步的，步骤1中，先将氧化石墨烯粉体与无水乙醇混合，利用超声波震荡得到单分散的氧化石墨烯溶液；后将铜粉体与氧化石墨烯溶液装入球磨罐，在真空状态进行机械球磨，获得混合溶液，将混合溶液在真空环境下干燥获得混合粉体。优选地，步骤1中，超声波震荡时间为2h。优选地，真空状态的真空度在1000Pa以下，和/或球磨时间为20～40h；优选地，混合粉体中氧化石墨烯的的质量百分比为0.3％～1.5％。进一步的，步骤2中还原处理的温度为300℃～600℃，时间为2h～4h。优选地，还原处理的温度和时间能够保证氧化石墨烯被还原的同时，铜材料的表面或工艺过程中生成的氧化铜被还原。进一步的，步骤3中的加载在模具上的压强为400～700MPa，保压时间为3min～30min。进一步的，步骤4中，真空烧结温度为800～950℃，真空烧结的真空度为1000Pa以下，真空烧结的升温速率为8℃/min以下，保温时间为2h～4h。进一步的，步骤5中加载压强为700～1000MPa，保压时间为3min～30min。进一步的，步骤6中真空烧结温度为550～700℃，真空烧结的真空度为1000Pa以下，真空烧结的升温速率为8℃/min以下，保温时间为2h～4h。进一步的，所述真空烧结的加热设备为加热炉，例如管式炉。进一步的，步骤3中对模具进行压力加载的温度环境为常温环境。本专利技术的优点是：a.采用热压时，材料容易与氧结合形成氧化物不利于材料强度、塑性和导电率。热压时材料中的气体容易膨胀而发生孔洞，从而影响材料综合性能。在本技术方案中，首次加压采用的常温加压，具有不利于形成氧化物等优势，成形效果好。b.第二次加压的压力高(对应步骤5)，初压压力低是为烧结时有利于气体排出，复压压力高有利材料致密化，提高强度。选取合适的复烧温度为550～700℃，使得样品复烧过程中即能消除复压引起的加工硬化，又不会因较大热应力产生膨胀，从而导致相对密度下降。c.选取合适的粉末压制压力范围为400～700MPa。可以避免压制压力过小导致的试样相对密度小、易鼓包和压制压力过大导致的压坯内部中形成微裂纹等缺陷。d.充分发挥石墨烯的润滑作用，提高复合材料的综合性能。在复压过程中，石墨烯作为一种新型润滑剂，当其均匀分散在基体中且在较大复压压力作用下有助于晶界滑移和晶粒旋转，有效地填补了基体内部孔隙，提高了样品在压制过程中的相对密度。同时，铜基体和石墨烯的紧密结合也降低了电子的散射，提高了材料的电导率。e.选用亲水性的氧化石墨烯作为增强相，实现了石墨烯均匀分布于铜基复合材料中。f.采用氢气对氧化石墨烯/铜混合粉体进行还原处理，既能将氧化石墨烯还原成还原氧化石墨烯，又能减轻混合粉体制备过程中氧化造成的不利影响。g.复压复烧成型方法操作简单、设备要求低、生产效率高、生产成本低。具体实施方式下面对本专利技术做进一步详细说明。以下将结合实施例对本专利技术技术方案作进一步地详述：实施例1具体制备工艺包括以下步骤：(1)制备氧化石墨烯/铜混合粉体1.1将质量分数分别为0.5g的氧化石墨烯添加到100ml无水乙醇中，采用超声震荡2h得到混合溶液；1.2将99.5g电解铜粉加入到氧化石墨烯溶液中，然后装入球磨罐。采用高纯氩气对球磨罐进行3次清洗，而后将球磨罐抽至真空状态(1000Pa以下)进行机械球磨，球磨时间为20h，转速为360r/min，钢球材质为淬火不锈钢，球料比为10:1。1.3球磨结束后将浆料倒入烧杯，在真空干燥箱中烘干，得到氧化石墨烯/铜混合粉体，氧化石墨烯占氧化石墨烯/铜混合粉体的质量百分比为0.5％。(2)将球磨后的氧化石墨烯/铜混合粉体在5vol.％H2/Ar气氛下进行还原处理，温度为300℃，时间为2h。(3)还原氧化石墨烯/铜复合材料烧结成型3.1将还原后的氧化石墨烯/铜混合粉体装入模具中，利用压片机加载600MPa压力，保压3min，获得复合粉体压坯；3.2将压坯置于管式炉中，在950℃下进行真空烧结(1000Pa以下)，升温速率8℃/min，保温时间为2h，然后随炉冷至室温；3.3利用压片机加载1000MPa压力对初烧后的样品进行复压，保压3min；3.4将复压后的样品置于管式炉中，在600℃下进行真空复烧(1000Pa以下)，升温速率8℃/min，保温时间为2h，随炉冷却至室温，制备出还原氧化石墨烯/铜复合材料。实施例1制备的还原氧化石墨烯/铜复合材料的相对密度为99.4％、导电率为93.7IACS、延伸率为66.8％、抗拉强度为229.2MPa、显微硬度为75.1HV。实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于还原氧化石墨烯和铜复合材料的成型件制备方法，其特征在于：该方法的步骤为：/n步骤1、将氧化石墨烯粉体和铜粉体均加入到无水乙醇中形成混合溶液；将混合溶液装入球磨罐，在真空状态进行机械球磨，获得混合溶液，将混合溶液在真空环境下干燥获得混合粉体；/n步骤2、将混合粉体在氢气气氛下进行还原处理获得还原混合粉体，使得氧化石墨烯还原为还原氧化石墨烯；/n步骤3、将还原混合粉体装入模具中，对模具进行压力加载，制备出复合粉体压坯；/n步骤4、对所述粉体压坯进行真空烧结后冷却至室温，获得初烧成型件；/n步骤5、用压片机加载700～1000MPa压力对初烧成型件进行压力加载；/n步骤6、对初烧成型件再次进行真空烧结，脱模获得成型件。/n

【技术特征摘要】
1.基于还原氧化石墨烯和铜复合材料的成型件制备方法，其特征在于：该方法的步骤为：
步骤1、将氧化石墨烯粉体和铜粉体均加入到无水乙醇中形成混合溶液；将混合溶液装入球磨罐，在真空状态进行机械球磨，获得混合溶液，将混合溶液在真空环境下干燥获得混合粉体；
步骤2、将混合粉体在氢气气氛下进行还原处理获得还原混合粉体，使得氧化石墨烯还原为还原氧化石墨烯；
步骤3、将还原混合粉体装入模具中，对模具进行压力加载，制备出复合粉体压坯；
步骤4、对所述粉体压坯进行真空烧结后冷却至室温，获得初烧成型件；
步骤5、用压片机加载700～1000MPa压力对初烧成型件进行压力加载；
步骤6、对初烧成型件再次进行真空烧结，脱模获得成型件。


2.如权利要求1所述的基于还原氧化石墨烯和铜复合材料的成型件制备方法，其特征在于：步骤1中，先将氧化石墨烯粉体与无水乙醇混合，利用超声波震荡得到单分散的氧化石墨烯溶液；后将铜粉体与氧化石墨烯溶液装入球磨罐，在真空状态进行机械球磨，获得混合溶液，将混合溶液在真空环境下干燥获得混合粉体。


3.如权利要求2所述的基于还原氧化石墨烯和铜复合材料的成型件制备方法，其特征在于：步骤1中，超声波震荡时间为2h，和/或真空状态的真空度在1000Pa以下，和/或球磨时间为20～40h。


4.如权利要求1或2所述的基于还原氧化石墨烯和铜复合材料的成型件制备方法，其特征在于：步骤6中真空烧结温度为550～700℃，真空烧结的真空度为1000P...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪起虎，燕绍九，李秀辉，陈翔，王晨，
申请(专利权)人：中国航发北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11