一种石墨烯包覆铜粉颗粒增强冷喷涂铜基复合涂层的制备方法技术

一种石墨烯包覆铜粉颗粒增强冷喷涂铜基复合涂层的制备方法，涉及一种铜基复合涂层的制备方法。本发明专利技术公开了一种石墨烯包覆铜粉颗粒增强冷喷涂铜基复合涂层的制备方法，通过PECVD技术，在铜粉颗粒表面原位生长出石墨烯，获得石墨烯包覆的铜粉颗粒，使用优化的低能球磨工艺，获得了石墨烯包覆铜粉颗粒均匀分布的铜复合粉末，避免了石墨烯团聚引起的组织缺陷，并基于冷喷涂技术的低温工艺和极快的沉积速率，可以提高涂层与基体的结合强度和涂层内部的组织均匀性，有利于获得优异热、电、机械性能和耐磨损性能的石墨烯包覆铜粉颗粒增强铜基复合涂层。基复合涂层。基复合涂层。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯包覆铜粉颗粒增强冷喷涂铜基复合涂层的制备方法


[0001]本专利技术涉及一种铜基复合涂层的制备方法。

技术介绍

[0002]导电涂层广泛应用于建筑、运输、制造、采矿、教育、军事、航天等领域中，纯铜涂层具有优异的导电性和导热性，但其硬度和耐磨性较差，纯铜涂层容易在一些极端服役条件下发生严重磨损，甚至碎裂，从而造成严重的安全隐患和经济、人员损失。
[0003]石墨烯是碳的二维同素异形体，由1
‑
s和2
‑
p轨道杂化产生，形成六边形碳环。在石墨烯中，每个碳原子在经sp2杂化后都具有一个自由电子，这些电子出现在π轨道中。π轨道有助于使电子网络离位，并使高载流子(电子)浓度与大载流子迁移率在室温下耦合。石墨烯的这些独特特性使载流子的局部传导达到近微米尺度，使其成为提高金属热电性能的理想添加剂。铜涂层在经石墨烯增强后其机械性能、热电性能以及耐磨损性能都会有明显的提升，但因为石墨烯比表面积大且表面能高，易发生团聚，不利于均匀地分散在铜基体中。传统的在铜表面包覆石墨烯的方法有机械球磨法和化学生长法等，机械球磨法包覆均匀性较差、耗时长且石墨烯与铜颗粒间的结合强度低，球磨后石墨烯易与铜颗粒分离，化学生长法需要使用多种化学试剂，操作复杂且易造成环境污染。
[0004]常规的石墨烯增强铜基复合涂层制备方法有热喷涂、激光熔覆和化学气相沉积等，这些方法中，热喷涂和激光熔覆的工艺温度极高，极易对待加工基体造成严重热损伤，所形成的涂层也存在较高的热应力，涂层存在裂纹、空隙等缺陷；化学气相沉积制备的涂层厚度有限，通常在几十微米以下，涂层沉积速率也相对较慢，且同时沉积石墨烯和铜的复合膜层工艺较复杂。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了解决上述现有技术存在的不足，公开了一种石墨烯包覆铜粉颗粒增强冷喷涂铜基复合涂层的制备方法，创新性地引入了PECVD技术，在铜粉颗粒表面原位生长出石墨烯，获得石墨烯包覆的铜粉颗粒，使用优化的低能球磨工艺，获得了石墨烯包覆铜粉颗粒均匀分布的铜复合粉末，避免了石墨烯团聚引起的组织缺陷，并基于冷喷涂技术的低温工艺和极快的沉积速率，可以提高涂层与基体的结合强度和涂层内部的组织均匀性，有利于获得优异热、电、机械性能和耐磨损性能的石墨烯包覆铜粉颗粒增强铜基复合涂层。
[0006]本专利技术石墨烯包覆铜粉颗粒增强冷喷涂铜基复合涂层的制备方法按以下步骤进行：
[0007]步骤一、在甲烷气氛中，采用等离子体增强化学气相沉积的方法，在铜粉末表面原位生长出石墨烯层，获得石墨烯包覆铜粉颗粒；
[0008]步骤二、利用球磨机将石墨烯包覆铜粉颗粒和铜粉末进行低能球磨，使石墨烯包覆铜粉颗粒均匀分布在铜粉末中，得到混合粉末；所述铜粉末和石墨烯包覆铜粉颗粒的质
量比为1～3:1；
[0009]步骤三、采用冷喷涂将步骤二中获得的混合粉末喷涂在基材上，获得石墨烯包覆铜粉颗粒增强铜基复合涂层。
[0010]本专利技术原理和有益效果：
[0011]1、本专利技术采用PECVD法和低能球磨相结合的方式，获得石墨烯包覆的铜粉颗粒，能有效提高石墨烯与铜粉结合强度，且使石墨烯能均匀分布在铜粉末中，石墨烯与铜颗粒结合效果好且不易团聚，有利于制备出兼具优异热、电、机械性能和耐磨损性能的石墨烯包覆铜粉颗粒增强铜基复合涂层。
[0012]2、本专利技术采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术在铜粉颗粒表面原位生长出石墨烯过程中，由于与气体接触的表面都能实现膜层沉积，对复杂几何表面也具有良好的膜层沉积效果。因此本专利技术采用PECVD技术在铜粉颗粒表面原位生长出石墨烯，沉积速率高，石墨烯包覆均匀，包覆面积较大，其与铜颗粒结合强度高，在复合粉末中不易发生石墨烯与铜粉末的分离，极大程度规避了石墨烯的团聚，从而有效避免了后续涂层中因石墨烯团聚而造成的裂纹等缺陷；并且，在PECVD的预热阶段先将温度升高至500℃并保温，可以促进铜粉晶粒细化，有利于后续涂层中得到致密、均匀的组织。
[0013]3、本专利技术采用冷喷涂技术，可以以较低温度(通常在数百摄氏度)和较高的沉积速度(通常涂层沉积每分钟可达到毫米级厚度)进行涂层沉积，喷涂过程温度远低于铜的熔点，混合粉末受热影响较小，在喷涂过程中无相变发生，极大程度抑制了涂层中热应力和热缺陷的产生，具有优良的组织形貌和力学性能，厚度在十几微米到数十毫米之间，且所制备涂层与基材结合强度高，从而制备出兼具优异热、电、机械性能和耐磨损性能的石墨烯包覆铜粉颗粒增强铜基复合涂层。
附图说明
[0014]图1为实施例1中步骤二制备的混合粉末的拉曼测试结果；
[0015]图2为实施例1中制备的具有石墨烯包覆铜粉颗粒增强铜基复合涂层的PEEK基材的实物图。
具体实施方式
[0016]本专利技术技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
[0017]具体实施方式一：本实施方式石墨烯包覆铜粉颗粒增强冷喷涂铜基复合涂层的制备方法按以下步骤进行：
[0018]步骤一、在甲烷气氛中，采用等离子体增强化学气相沉积的方法，在铜粉末表面原位生长出石墨烯层，获得石墨烯包覆铜粉颗粒；
[0019]所述等离子体增强化学气相沉积包括以下步骤：首先，将铜粉末平铺在石英片上，并放入真空室中，抽真空至气压到40Pa以下，进行10
‑
30min加热烘干，随后通入甲烷至气压恢复为1.01
×
105Pa，再次抽真空至气压到40Pa以下，通入甲烷使气压维持在40
‑
66.7Pa；然后对真空室进行加热，加热速率为10℃/min，加热到500℃后保温10
‑
30min，随后停止加热；使真空室温度自然下降，当温度下降至300℃时进行保温10
‑
3000min；保温同时开启等离子
体激发器，激发功率设定为150
‑
500W；设定的保温时间根据石墨烯的厚度相关；其中，甲烷的流量均为1
‑
50sccm。
[0020]步骤二、利用球磨机将石墨烯包覆铜粉颗粒和铜粉末进行低能球磨，使石墨烯包覆铜粉颗粒均匀分布在铜粉末中，得到混合粉末；所述铜粉末和石墨烯包覆铜粉颗粒的质量比为1～3:1；
[0021]步骤三、采用冷喷涂将步骤二中获得的混合粉末喷涂在基材上，获得石墨烯包覆铜粉颗粒增强铜基复合涂层。
[0022]本实施方式具备以下有益效果：
[0023]1、本实施方式采用PECVD法和低能球磨相结合的方式，获得石墨烯包覆的铜粉颗粒，能有效提高石墨烯与铜粉结合强度，且使石墨烯能均匀分布在铜粉末中，石墨烯与铜颗粒结合效果好且不易团聚，有利于制备出兼具优异热、电、机械性能和耐磨损性能的石墨烯包覆铜粉颗粒增强铜基复合涂层。
[0024]2、本实施方式采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术在铜粉颗粒表面原位生长出石墨烯过程中，由于与气体接触的表面都能实现膜层沉积，对复杂几本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯包覆铜粉颗粒增强冷喷涂铜基复合涂层的制备方法，其特征在于：石墨烯包覆铜粉颗粒增强冷喷涂铜基复合涂层的制备方法按以下步骤进行：步骤一、在甲烷气氛中，采用等离子体增强化学气相沉积的方法，在铜粉末表面原位生长出石墨烯层，获得石墨烯包覆铜粉颗粒；所述等离子体增强化学气相沉积包括以下步骤：首先，将铜粉末平铺在石英片上，并放入真空室中，抽真空至气压到40Pa以下，进行10
‑
30min加热烘干，随后通入甲烷至气压恢复为1.01
×
105Pa，再次抽真空至气压到40Pa以下，通入甲烷使气压维持在40
‑
66.7Pa；然后对真空室进行加热，加热速率为10℃/min，加热到500℃后保温10
‑
30min，随后停止加热；使真空室温度自然下降，当温度下降至300℃时进行保温10
‑
3000min；保温同时开启等离子体激发器，激发功率设定为150
‑
500W；设定的保温时间根据石墨烯的厚度相关；其中，甲烷的流量均为1
‑
50sccm。步骤二、利用球磨机将石墨烯包覆铜粉颗粒和铜粉末进行低能球磨，使石墨烯包覆铜粉颗粒均匀分布在铜粉末中，得到混合粉末；所述铜粉末和石墨烯包覆铜粉颗粒的质量比为1～3:1；步骤三、采用冷喷涂将步骤二中获得的混合粉末喷涂在基材上，获得石墨烯包覆铜粉颗粒增强铜基复合涂层。2.根据权利要求1所述的石墨烯包覆铜粉颗粒增强冷喷涂铜基复合涂层的制备方法，其特征在于：步骤一中铜粉末的纯度为99.9％，颗粒为球形，粒径为40
‑
60μm，甲烷气体纯度为99.99％。3.根据权利要求1所述的石墨烯包覆铜粉颗粒增强冷喷涂铜基复合涂层的制备方法，其特征在于：步骤二中铜粉末的纯度为99.9％，颗粒为球形，粒径为40
‑
60μm。4.根据权利要求1所述的石墨烯包覆铜粉颗粒增强冷喷涂铜基复合涂层的制备方法，其特征在于：步骤二中所述球磨机为行星式球磨机。5.根据权利要求1所述的石墨烯包覆铜粉颗粒增强冷喷涂铜基复合涂层的制备方法，其特征在于：步骤一中等离子体增强化学气相沉积包括以下步骤：首先，将铜粉末平铺在石英片上，并放入真空室中，抽真空至气压到40Pa以下，进行10min加热烘干，随后通入甲烷至气压恢复为1.01
×
105Pa，再次抽真空至气压到40Pa以下，缓慢通入甲烷使气压维持在40
‑
66.7Pa；然后对真空室进行加热，加热速率为10℃/min，加热到500℃后保温10
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30min，随后停止加热；使真空室温度自然下降，当温度下降至300℃时进行保温10
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3000min；保温同时开启等离子体激发器，激发功率设定为150
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500W；甲烷的流量均为1
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50sccm。6.根据权利要求1所述的石墨烯包覆铜粉颗粒增强冷喷涂铜基复合涂...

【专利技术属性】
技术研发人员：巩春志，王紫粵，田修波，周长壮，亓均雷，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：