一种卷绕法制备铜/石墨烯复合导线的方法技术

一种卷绕法制备铜/石墨烯复合导线的方法，首先将碳源均匀涂覆在预处理好的铜箔上或将固态膜状碳源与预处理好的铜箔层叠好，制成铜碳复合体，然后将铜碳复合体卷绕在铜丝上，装入具有与之匹配内径的铜管中，再对此铜管进行塑性加工，包括孔型轧制和拉拔，之后将塑性加工后的铜管组合体两端切掉，再放入CVD炉中，在铜管内部及铜箔表面生长石墨烯。最后，再对上述生长过石墨烯的铜管组合体进行拉拔，得到高性能的铜/石墨烯复合导线。本发明专利技术通过制备铜碳复合体、卷绕装管、塑性加工、CVD生长石墨烯的方法制备出的铜/石墨烯复合导线中石墨烯均匀分布、结构相对完整，质量好，复合导线具有高的电导率和强度。该导线在电力电子、电动汽车等领域具有良好的应用前景。车等领域具有良好的应用前景。车等领域具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种卷绕法制备铜/石墨烯复合导线的方法


[0001]本专利技术属于铜/石墨烯复合材料制备领域，具体涉及一种卷绕法制备铜/石墨烯复合导线的方法。

技术介绍

[0002]导电材料是能源与电力行业最重要的基础性材料。传统铜导体是一种具有良好的导电导热性能，使用量大、应用面广的一类导电材料。随着社会和科技的迅速发展，各行各业对导电铜材料的性能要求越来越高。由铜和石墨烯复合而成的铜基复合材料，有望借助于石墨烯的高强、高导以及高载流特性获得性能上的进一步突破。因此，目前铜/石墨烯复合材料是电工材料领域、能源相关领域研究中最受关注的材料。
[0003]然而，受材料物性的影响，铜/石墨烯复合材料在研发过程中存在技术瓶颈，例如，石墨烯由于范德华力的作用容易团聚在一起，铜和石墨烯界面不浸润，界面连接性差，从而导致后续加工困难，且石墨烯无法定向排列，性能与理论值差异较大。目前制备铜/石墨烯复合材料的主要方法包括传统粉末冶金法、电化学沉积法、化学气相沉积法(CVD)生长法。粉末冶金法是将石墨烯粉末和铜粉混合批量制备铜/石墨烯复合材料。其中，铜与石墨烯粉末混合包括球磨混合、化学反应混合、表面处理混合等。球磨混合很难避免石墨烯的团聚，而且过程中石墨烯的结构会有不同程度的破坏；利用化学的方法有利于实现Cu与石墨烯的良好结合，但是此类工艺复杂，不环保，制得的氧化石墨烯晶化程度差，缺陷多，往往需要还原处理，制得的复合材料性能也远低于预期值。电化学沉积是通过表面修饰使石墨烯均匀分散在铜电的解液中，利用电镀原理使铜与石墨烯一起沉积成膜。该方法的优点是易实现石墨烯的均匀分散，缺点是微观组织比较疏松，且受薄膜尺寸限制很难制备成其它型材。CVD是目前制备高质量石墨烯最为常用的工艺，其利用高温下气态碳源(甲烷、乙炔等)在单晶或多晶铜箔衬底表面分解后组装生成单层或多层石墨烯。这种方法制备的石墨烯可以实现大面积生长，且原位生长的石墨烯与铜基体可以自然保持良好的界面结合，有效避免界面孔洞等问题；但仅在铜箔表面生长一层或几层石墨烯然后通过叠层制备复合材料，工艺复杂，很难实现量产和应用。而目前在制造电缆、绕制电机绕组线圈等都需要使用线材，亟需开发新的制备工艺，大批量制备高质量铜/石墨烯复合导线，同时解决石墨烯分散、铜碳界面结合、石墨烯定向排列的问题及导线成材问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提出一种制备高性能铜/石墨烯复合导线的方法，具体步骤如下：
[0005]步骤一、将碳源均匀涂覆在预处理好的铜箔上或将固态膜状碳源与预处理好的铜箔层叠好，制成铜碳复合体；
[0006]步骤二、将上述铜碳复合体卷绕在铜丝上，然后将其装入与之直径匹配的铜管中，两端用与铜管直径匹配的铜棒塞紧后焊接密封，制成铜管组合体；
[0007]步骤三、对上述铜管组合体进行塑性加工，所述塑性加工包括孔型轧制和拉拔；
[0008]步骤四、将所述步骤二中塑性加工后的铜管组合体两端切掉，放入CVD炉中，进行内部石墨烯的生长，得到铜/石墨烯棒；
[0009]步骤五，对步骤三得到的铜/石墨烯棒再进一步拉拔，从而获得所述高性能铜/石墨烯复合导线。
[0010]进一步地，步骤一中所述碳源为液态碳源或固态碳源，所述液态碳源包括但不限于葡萄糖、石蜡、钛酸四丁酯，液态碳源可以直接涂覆到铜箔表面；所述固态碳源包括但不限于聚甲基丙烯酸甲酯、苹果酸、马来酸、硬脂酸、乙酸镧，所述固态碳源通过溶于有机溶剂或加热熔化后均匀涂覆到铜箔表面；所述碳膜包括但不限于聚乙烯，聚氯乙烯，聚偏二氯乙烯。
[0011]进一步地，步骤四中CVD炉中生长石墨烯具体为：
[0012](1)将铜管组合体置于CVD炉管加热区之外的部分，将CVD炉抽真空，然后通入Ar气(100～500sccm)(例如，Ar气流速为100、150、200、250、300、350、400、450或500sccm)和H2气(50～100sccm)(例如，H2气流速为50、60、70、80、90或100sccm)，将炉温度升至700～1000℃(例如炉温升至700℃、710℃、720℃、730℃、740℃、750℃、760℃、770℃、780℃、790℃、800℃、810℃、820℃、840℃、850℃、860℃、870℃、880℃、890℃、900℃、910℃、920℃、930℃、940℃、950℃、960℃、970℃、980℃、990℃或1000℃)；
[0013](2)将铜管组合体迅速推入炉管加热区，保温5～30min(例如，保温5、7、9、11、13、15、17、19、21、23、25、27、29或30min)；
[0014](3)关闭H2气，铜箔在Ar气氛下至室温。
[0015]进一步地，步骤三中对铜管组合体进行塑性加工，其总变形量控制在50％
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80％(例如，其总变形量控制在50％、51％、52％、53％、54％、55％、56％、57％、58％、59％、60％、61％、62％、63％、64％、65％、66％、67％、68％、69％、70％、71％、72％、73％、74％、75％、76％、77％、78％、79％或80％)，每道次变形量为5％
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15％(例如，每道次变形量为5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％或15％)。
[0016]进一步地，步骤一中所述铜箔的厚度为5
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100μm(例如，所述铜箔的厚度为5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm、90μm、95μm或100μm)，铜丝的直径为0.5
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2mm(铜丝的直径为0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm或2mm)，铜管的长度>铜丝的长度>铜箔的宽度。
[0017]进一步地，步骤一中所述铜箔包括纯铜箔、铜镍合金箔、铜钼合金箔、铜钨合金箔等。
[0018]进一步地，步骤五中所述拉拔速率为1
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3m/min(例如，所述拉拔速率为1m/min、1.5m/min、2m/min、2.5m/min或3m/min)，每道次变形量为5％
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15％(例如，每道次变形量为5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％或15％)，最终得到的铜/石墨烯复合导线复合导线的直径为0.05
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0.8mm(例如，铜/石墨烯复合导线复合导线的直径为0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75或0.8mm)。
[0019]进一步地，步骤一中所述碳源占铜碳复合体的质本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种卷绕法制备铜/石墨烯复合导线的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤一、将碳源均匀涂覆在预处理好的铜箔上或将固态膜状碳源与预处理好的铜箔层叠好，制成铜碳复合体；步骤二、将上述铜碳复合体卷绕在铜丝上，然后将其装入与之直径匹配的铜管中，两端用与铜管直径匹配的铜棒塞紧后焊接密封，制成铜管组合体；步骤三、对上述铜管组合体进行塑性加工，所述塑性加工包括孔型轧制和/或拉拔；步骤四、将所述步骤三中塑性加工后的铜管组合体两端切掉，放入CVD炉中，进行内部石墨烯的生长，得到铜/石墨烯棒；步骤五，对步骤四得到的铜/石墨烯棒再进一步拉拔，从而获得所述的铜/石墨烯复合导线。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一中所述碳源为液态碳源或固态碳源，所述液态碳源包括葡萄糖、石蜡和钛酸四丁酯中的一种或多种，液态碳源可以直接涂覆到铜箔表面；优选地，所述固态碳源包括聚甲基丙烯酸甲酯、苹果酸、马来酸、硬脂酸和乙酸镧中的一种或多种，所述固态碳源通过溶于有机溶剂或加热熔化后均匀涂覆到铜箔表面；优选地，所述固态膜状碳源为碳膜，所述碳膜包括聚乙烯，聚氯乙烯和聚偏二氯乙烯中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤四中CVD炉中生长石墨烯具体为：(1)将步骤三塑性加工后的铜管组合体置于CVD炉管加热区之外的部...

【专利技术属性】
技术研发人员：左婷婷，高召顺，薛江丽，茹亚东，韩立，肖立业，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：