【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于石墨烯复合材料，具体涉及一种石墨烯-铜复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、电力能源，是当代社会生产生活中最重要的能源之一，但解决输配电能量损耗，是世界电力行业长期攻关的技术难题。金属铜由于具备高导电性、良好的机械加工性能和相对低廉的价格而被广泛使用在输配电领域。如何提高铜的导电率，以减少电能损耗是目前的技术方向之一。
2、石墨烯因其优异的载流子迁移率和电学性能而成为先进复合材料领域应用最为广泛的材料之一。石墨烯和铜的结合被认为是电力行业应用的良好候选材料，已成为研究热点之一。然而，到目前为止，石墨烯在提高金属导电性方面的积极作用很少被报道。传统的石墨烯-铜复合材料更多的体现在力学性能和热导率的提升，而电导率随之下降或提升很小。尽管在金属铜上引入高质量的石墨烯已经提供了一种有前途的策略，但是成本高昂和工艺复杂的缺点仍然制约着规模化生产。
3、例如，专利cn201610393010.5涉及一种石墨烯-铜复合材料的制备方法，主要将石墨烯粉体、max相陶瓷粉体和铜粉混合均匀后，进行热压烧结，得到石墨烯-铜复合材料。该方法需要掺杂max相材料，而max相材料制备工艺较为复杂且成本较高，实际应用性较差。专利号cn201910230356.7通过气相沉积法使铜箔双面生长石墨烯制备石墨烯-铜复合材料，但是气相沉积法因工艺复杂的限制不适用于大规模工业化生产。
4、因此，开发一种工艺过程简单、成本较低、材料成分设计方便、适合规模化生产并且具有良好导电性的石墨烯-铜复合材料是目前亟待解决的问题
技术实现思路
1、为解决上述全部或部分技术问题，本专利技术提供以下技术方案：
2、本专利技术的目的之一在于提供一种石墨烯-铜复合材料的制备方法，所述制备方法包括：将石墨烯分散液涂布于铜箔表面形成石墨烯膜，得到负载有石墨烯膜的铜箔；将多层所述负载有石墨烯膜的铜箔热压烧结成形，得到石墨烯-铜复合材料。
3、该技术方案的有益效果在于，与现有技术相比，本专利技术提供的制备方法能够使制备得到的石墨烯-铜复合材料的具有优异的导电性，并且拉伸强度相对无石墨烯增强的纯铜压样有18％及以上的提升。
4、在部分实施例中，所述制备方法具体包括：将石墨烯和表面活性剂加入溶剂中，然后进行砂磨搅拌分散和/或超声分散，得到所述分散液。石墨烯由于具有独特的片层结构、高比表面积和强疏水性，其很难在溶剂中被润湿，特别是在水溶液中，因而石墨烯在溶剂体系中易团聚难分散，限制了其优异性能的发挥，采用该技术方案能够使石墨烯在溶剂中稳定分散且充分分散均匀，在后续的生产中获得良好的性能。
5、进一步的，所述表面活性剂包括胆酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化胺、双十二烷基二甲基溴化铵和聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种。所述溶剂例如包括水。
6、进一步的，所述分散液中，石墨烯和表面活性剂的质量比为50～200∶1。例如，石墨烯与pvp比例为100∶1。表面活性剂通过插入在不同石墨烯片层中，使得石墨烯片互斥分离，进而使石墨烯均匀分散。
7、进一步的，所述石墨烯的片径为1-10μm，所述石墨烯的片层为5～6层。
8、在部分实施例中，所述砂磨搅拌分散的转速为1000～6000r/min，搅拌的时间为0.5～4h。优选的，所述砂磨搅拌分散的转速为3000r/min，搅拌的时间为2h。
9、在部分实施例中，所述超声分散的超声功率为90～960w，超声的时间为0.1～48h。若超声功率太低或超声时间不够，则表面活性剂没能充分插入石墨烯层间，起到插层作用减少相互作用力；若超声功率过高或延长超声时间，会使得石墨烯质量降低，同时增加了工业生产成本。优选的，所述超声分散的超声功率为300w，超声的时间为1h。
10、在部分实施例中，所述铜箔的厚度为10～55μm，优选为15～25μm。若铜箔厚度低于10μm，则在实际操作中铜箔容易产生变形和褶皱，不利于石墨烯的均匀覆盖和压制成型；若铜箔厚度高于55μm，则随着铜箔厚度的增加，石墨烯的掺杂比例随之降低，制备得到的石墨烯-铜复合材料的电性能增幅变小。
11、所述铜箔的纯度优选大于99.9％，例如99.9％、99.99％、99.999％、99.9999％，考虑杂质对材料导电性能的不利影响以及成本问题，优选99.99％的铜箔。
12、在部分实施例中，所述涂布的方法包括喷涂法、旋涂法、棒涂法、模涂法和刮板法中的至少一种。
13、进一步的，所述涂布的方法优选包括喷涂法，所述喷涂法采用的分散液中的石墨烯浓度为0.25～0.75g/l，所述喷涂的速率为1～3ml/min，所述喷涂的圈数为20～150。所述喷涂圈数例如为20、50、100、150圈。所述喷涂的速率优选为1ml/min。喷涂法的工艺操作过程简单，材料成分设计方便，石墨烯含量高度可控，适合规模化生产；在上述喷涂的工艺参数范围内，能够获得具有合适石墨烯掺杂比例的石墨烯-铜复合材料，若石墨烯掺杂比例较低，则对于制备的复合材料的电性能增幅较小，若石墨烯掺杂比例较高，则易导致石墨烯微片堆叠，且由于石墨烯与铜结合性差而不利于后续热压烧结，影响复合材料的力学性能和电性能；本专利技术通过调控喷涂的速率和圈数控制石墨烯膜的均匀性和致密性，均匀分散的石墨烯层有利于后续的热压结合，反之团聚的石墨烯会影响界面结合。
14、在部分实施例中，在得到负载有石墨烯膜的铜箔后，对所述负载有石墨烯膜的铜箔进行后处理，所述后处理例如包括采用激光对其进行切割，并采用氢气还原以去除所述铜箔表面吸附的气体和氧化层。进一步的，所述制备方法还包括：先至少对所述负载有石墨烯膜的铜箔进行氢气还原处理，之后将多层所述负载有石墨烯膜的铜箔热压烧结成形，制得所述石墨烯-铜复合材料。
15、在部分实施例中，所述热压烧结工艺的热压温度为800℃～1000℃，压力为20～50mpa。
16、在部分实施例中，所述制备方法具体包括：将10～1000层的所述负载有石墨烯膜的铜箔热压烧结成形，得到所述石墨烯-铜复合材料。例如可以为10层、20层、30层、50层、100层、200层、300层、400层、500层、600层、800层、900层、1000层，可根据目标产品的厚度决定热压烧结的总层数。
17、本专利技术的目的之二在于提供上述制备方法得到的石墨烯-铜复合材料。
18、在部分优选实施例中，所述石墨烯-铜复合材料的电导率为100％～106％iacs。进一步的，所述石墨烯-铜复合材料的致密度为99％以上。
19、本专利技术的目的之三在于提供上述的石墨烯-铜复合材料在航空航天、电子、电力、汽车或石油化工中的应用。
20、与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术提供的制备方法能够使复合材料的层状结构和石墨烯含量高度可控；得到的石墨烯-铜复合材料具有优异的导电性，以退火纯铜在20℃时电阻率值1.7241μ本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种石墨烯-铜复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的石墨烯-铜复合材料的制备方法，其特征在于，具体包括：将石墨烯和表面活性剂加入溶剂中，然后进行砂磨搅拌分散和/或超声分散，得到所述分散液。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述表面活性剂包括胆酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化胺、双十二烷基二甲基溴化铵和聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种；
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述砂磨搅拌分散的转速为1000～6000r/min，搅拌的时间为0.5～4h；
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述铜箔的厚度为10～55μm，优选为15～25μm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述涂布的方法包括喷涂法、旋涂法、棒涂法、模涂法和刮板法中的至少一种；优选的，所述涂布的方法包括喷涂法，所述喷涂法采用的分散液中的石墨烯浓度为0.25～0.75g/L，所述喷涂的速率为1～3ml/min，所述喷涂的圈数为20～150；
7.根据
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：将10～1000层的所述负载有石墨烯膜的铜箔热压烧结成形，得到所述石墨烯-铜复合材料。
9.根据权利要求1～8任一项所述的制备方法得到的石墨烯-铜复合材料；优选的，所述石墨烯-铜复合材料的电导率为100％～106％IACS。
10.权利要求9所述的石墨烯-铜复合材料在航空航天、电子、电力、汽车或石油化工中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种石墨烯-铜复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的石墨烯-铜复合材料的制备方法，其特征在于，具体包括：将石墨烯和表面活性剂加入溶剂中，然后进行砂磨搅拌分散和/或超声分散，得到所述分散液。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述表面活性剂包括胆酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化胺、双十二烷基二甲基溴化铵和聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种；
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述砂磨搅拌分散的转速为1000～6000r/min，搅拌的时间为0.5～4h；
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述铜箔的厚度为10～55μm，优选为15～25μm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述涂布的方法...
【专利技术属性】
技术研发人员：李文辉，汪伟，刘兆平，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：
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