一种以固体碳源在铜粉表面原位制备的3D石墨烯/铜复合材料及其方法技术

本发明专利技术公开了一种以固体碳源在铜粉表面原位制备的3D石墨烯/铜复合材料及其方法，以不锈钢球、铜粉、氧化镁和聚甲基丙烯酸甲酯作为原料，以乙醇作为球磨介质，混合得到混合溶液；去除乙醇，过筛得到干燥且均匀分散的铜/氧化镁/聚甲基丙烯酸甲酯粉末；将铜/氧化镁/聚甲基丙烯酸甲酯粉末分别进行低温还原和高温还原处理，得到原位生长的3D石墨烯/铜、氧化镁混合粉末；用稀盐酸酸洗除去3D石墨烯/铜、氧化镁混合粉末中的氧化镁，然后用乙醇清洗并烘干，得到原位生长的3D石墨烯/铜复合粉末；将3D石墨烯/铜复合粉末经真空热压烧结成型制得3D石墨烯/铜复合材料。本发明专利技术制备工艺简单，得到的复合材料抗拉强度高，导电性好，具有很好的应用前景。

3D graphene / copper composite and its method prepared in situ on the surface of copper powder with solid carbon source

【技术实现步骤摘要】
一种以固体碳源在铜粉表面原位制备的3D石墨烯/铜复合材料及其方法
本专利技术属于粉末冶金
，具体涉及一种以固体碳源在铜粉表面原位制备的3D石墨烯/铜复合材料及其方法。
技术介绍
铜是一种具有优异导电导热性能、良好的塑性和延展性的金属材料，广泛应用于电子、电器、机械等领域。但是铜强度低，抗氧化性能差等缺点，限制了其在现代工业体系中进一步应用。为了提高铜的力学性能，传统的方法是采用添加合金元素或者引入第二相作为增强相提升铜基复合材料的力学性能，但是合金元素或者第二相的引入往往会降低复合材料的导电导热性能。石墨烯作为一种新型的二维材料，其独特的单层六边形晶格结构使其具有优良的力学性能和导电导热性能，是一种理想的铜基复合材料的增强相。目前有很多研究聚焦在将石墨烯添加在铜粉中进行球磨，但会对石墨烯的结构造成破坏，并且难以获得良好的界面结合。此外，如何将石墨烯与铜粉均匀分散也是一大难题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种以固体碳源在铜粉表面原位制备的3D石墨烯/铜复合材料及其方法，采用分散剂工艺改善了微形铜粉在高温还原时因熔融而粘结的状况，所制得复合材料的导热导电性及力学性能优良。本专利技术采用以下技术方案：一种以固体碳源在铜粉表面原位制备的3D石墨烯/铜复合材料及其方法，包括以下步骤：S1、以不锈钢球、铜粉、氧化镁和聚甲基丙烯酸甲酯作为原料，以乙醇作为球磨介质，混合后进行球磨处理得到铜、氧化镁、聚甲基丙烯酸甲酯和乙醇的混合溶液；S2、去除步骤S1所得混合溶液中的乙醇，过筛得到干燥且均匀分散的铜/氧化镁/聚甲基丙烯酸甲酯粉末；S3、将步骤S2所得铜/氧化镁/聚甲基丙烯酸甲酯粉末分别进行低温还原和高温还原处理，得到原位生长的3D石墨烯/铜、氧化镁混合粉末；S4、用稀盐酸酸洗除去步骤S3所得3D石墨烯/铜、氧化镁混合粉末中的氧化镁，然后用乙醇清洗并烘干，得到原位生长的3D石墨烯/铜复合粉末；S5、将步骤S4制备的3D石墨烯/铜复合粉末经真空热压烧结成型制得3D石墨烯/铜复合材料。具体的，步骤S1中，不锈钢球、铜粉、氧化镁和聚甲基丙烯酸甲酯的质量比为200：20：10：(0.1～0.5)，球磨处理的转速为150～250转/分钟，球磨处理时间为1～2.5h。进一步的，乙醇的加入量为100～120ml。具体的，步骤S2中，采用旋转蒸发仪去除混合溶液中的乙醇，旋转蒸发仪的加热温度为45～55℃，加热时间为50～60min。进一步的，步骤S2中，采用200～400目过筛。具体的，步骤S3中，低温还原处理的温度为200～250℃，还原时间为20～40min，还原气氛为氢气，保护气氛为氩气。具体的，步骤S3中，高温还原处理的温度为800～950℃，还原时间为10～30min，还原气氛为氢气，保护气氛为氩气。具体的，步骤S4中，稀盐酸的浓度为9％，体积为200～220ml。具体的，步骤S5中，烧结压力为70～120MPa，真空度为10-3～10-4Pa，温度为750～1050℃，保压时间90～150min。本专利技术的另一个技术方案是，一种3D石墨烯/铜复合材料，利用权所述的方法制备而成，导电率达到89％～97％IACS，抗拉强度为278～305MPa。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术一种以固体碳源在铜粉表面原位制备的3D石墨烯/铜复合材料及其方法，采用聚甲基丙烯酸甲酯和铜粉作为原料，以氧化镁为分散剂，采用球磨的工艺，将聚甲基丙烯酸甲酯、铜粉和氧化镁均匀分散开，既保证了铜粉和碳源的充分均匀地接触，又防止了铜粉在高温还原下熔融粘结，制备工艺简单，制备的复合材料性能优异。进一步的，步骤S1中，球磨时加入氧化镁能够防止高温还原时铜粉因熔融而粘结在一起；加入乙醇作为球磨介质，可以减少铜粉氧化，同时使原料更好地均匀分散。进一步的，步骤S2中，旋转蒸发仪温度设置为45～55℃，时间设置为50～60min，使乙醇充分挥发，得到完全干燥的混合粉末。进一步的，步骤S3中，低温还原的目的是除去铜粉表面的氧化物；高温还原的目的是使聚甲基丙烯酸甲酯分解为碳的前驱体，然后进一步的使碳的前驱体分解为碳原子沉积到铜表面，得到石墨烯，氩气作为保护性气体，氢气为还原性气体。进一步的，步骤S4中，通过稀盐酸除去氧化镁，得到3D石墨烯/铜复合粉末；乙醇清洗除去未反应的稀盐酸和3D石墨烯/铜复合粉末表面的反应物。进一步的，步骤S5中，烧结压力为70～120MPa，温度为750～1050℃，保压时间90～150min，使预制粉末充分压实，得到孔隙率少的块体样品。综上所述，本专利技术制备工艺简单，由于分散剂的存在，铜粉在高温还原时不易熔融粘结，石墨烯覆盖率高，石墨烯分散性好，与基体结合强度高，得到的复合材料抗拉强度高，导电性好，具有很好的应用前景。下面通过实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。具体实施方式本专利技术提供了一种以固体碳源在铜粉表面原位制备的3D石墨烯/铜复合材料及其方法，将不锈钢球、铜粉、氧化镁和聚甲基丙烯酸甲酯加入球磨罐中，加入乙醇作为球磨介质，经过球磨，得到铜、氧化镁、聚甲基丙烯酸甲酯和乙醇混合溶液；将所得的混合溶液经过旋转蒸发仪除去乙醇，然后过筛，得到干燥均匀分散的铜/氧化镁/聚甲基丙烯酸甲酯粉末；将所得混合粉末在管式炉中进行还原处理，还原处理过程包括低温还原和高温还原，得到原位生长的3D石墨烯/铜、氧化镁混合粉末；将所得混合粉末用稀盐酸酸洗除去氧化镁，然后用乙醇清洗并烘干，得到原位生长的3D石墨烯/铜复合粉末；将制备的原位生长的3D石墨烯/铜复合粉末在真空热压烧结炉中进行热压成型得到性能优异的3D石墨烯/铜复合材料。本专利技术制备工艺简单，所制备的复合材料在显著增强力学性能的基础上，没有明显减小其导电性能，在电子电器、航空航天等领域有较好的应用前景。本专利技术一种以固体碳源在铜粉表面原位制备的3D石墨烯/铜复合材料及其方法，包括以下步骤：S1、将不锈钢球、铜粉、氧化镁和聚甲基丙烯酸甲酯加入球磨罐中，加入乙醇作为球磨介质，经过球磨，得到铜、氧化镁、聚甲基丙烯酸甲酯和乙醇混合溶液；不锈钢球、铜粉、氧化镁和聚甲基丙烯酸甲酯的质量比为200：20：10：(0.1～0.5)，球磨条件为150～250转/分钟，球磨时间1～2.5h，乙醇的量为50ml。S2、将步骤S1所得的混合溶液经过旋转蒸发仪除去乙醇，然后200～400目过筛，得到干燥均匀分散的铜/氧化镁/聚甲基丙烯酸甲酯粉末；旋转蒸发仪加热温度为45～55℃，加热时间为50～60min。S3、将步骤S2所得混合粉末在管式炉中进行还原处理，还原处理过程包括低温还原和高温还原，得到原位生长的3D石墨烯/铜、氧化镁混合粉末；低温还原温度为200～250℃，还原时间为20～40min，还原气氛为氢气；高温还原本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种以固体碳源在铜粉表面原位制备的3D石墨烯/铜复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、以不锈钢球、铜粉、氧化镁和聚甲基丙烯酸甲酯作为原料，以乙醇作为球磨介质，混合后进行球磨处理得到铜、氧化镁、聚甲基丙烯酸甲酯和乙醇的混合溶液；/nS2、去除步骤S1所得混合溶液中的乙醇，过筛得到干燥且均匀分散的铜/氧化镁/聚甲基丙烯酸甲酯粉末；/nS3、将步骤S2所得铜/氧化镁/聚甲基丙烯酸甲酯粉末分别进行低温还原和高温还原处理，得到原位生长的3D石墨烯/铜、氧化镁混合粉末；/nS4、用稀盐酸酸洗除去步骤S3所得3D石墨烯/铜、氧化镁混合粉末中的氧化镁，然后用乙醇清洗并烘干，得到原位生长的3D石墨烯/铜复合粉末；/nS5、将步骤S4制备的3D石墨烯/铜复合粉末经真空热压烧结成型制得3D石墨烯/铜复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种以固体碳源在铜粉表面原位制备的3D石墨烯/铜复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、以不锈钢球、铜粉、氧化镁和聚甲基丙烯酸甲酯作为原料，以乙醇作为球磨介质，混合后进行球磨处理得到铜、氧化镁、聚甲基丙烯酸甲酯和乙醇的混合溶液；
S2、去除步骤S1所得混合溶液中的乙醇，过筛得到干燥且均匀分散的铜/氧化镁/聚甲基丙烯酸甲酯粉末；
S3、将步骤S2所得铜/氧化镁/聚甲基丙烯酸甲酯粉末分别进行低温还原和高温还原处理，得到原位生长的3D石墨烯/铜、氧化镁混合粉末；
S4、用稀盐酸酸洗除去步骤S3所得3D石墨烯/铜、氧化镁混合粉末中的氧化镁，然后用乙醇清洗并烘干，得到原位生长的3D石墨烯/铜复合粉末；
S5、将步骤S4制备的3D石墨烯/铜复合粉末经真空热压烧结成型制得3D石墨烯/铜复合材料。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，不锈钢球、铜粉、氧化镁和聚甲基丙烯酸甲酯的质量比为200：20：10：(0.1～0.5)，球磨处理的转速为150～250转/分钟，球磨处理时间为1～2.5h。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，乙醇的加入量为100～120ml。


4.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：皇志富，刘朋成，李克敏，秦朝风，赵中帅，曹臻，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61