[发明专利]一种低温高效制备石墨烯增强铜基复合钎料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及制备石墨烯增强铜基复合钎料的方法。

背景技术

钎焊是三大焊接方法(熔焊、压焊、钎焊)的一种，主要是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，低于母材熔化温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。在机械、电机、仪表、电子技术等诸多领域都有着广泛应用。钎焊接头的强度、硬度、耐热性、耐腐蚀性等性能指标都与钎料有着直接关系，在钎料中添加颗粒、纤维、层片等增强体可以有效改善钎焊接头性能。随着科学技术的不断发展，纳米材料（如纳米颗粒、纳米线、纳米片等）作为增强体增强钎料已成为焊接领域的研究热点。

石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。由于石墨烯结构的特殊性，与其他材料相比，石墨烯具有出色的电学性能、热学性能以及机械性能。在电子器件、复合材料及电化学储能材料等诸多方面展现出巨大的应用前景。已有研究证明，在Sn-Ag-Cu钎料中加入0.1%的氧化还原方法制备的石墨烯片可显著提高钎料的润湿性能及力学性能。由此可见，石墨烯在强化钎料、提高钎料性能等方面具有广阔的应用前景。

目前，石墨烯常用的制备方法有机械剥离法、氧化还原石墨法、化学气相沉积法等三种方法。机械剥离法制备出的石墨烯质量高，但是工艺复杂，产率低，难以实际应用。氧化还原石墨法虽然具有成本低、产量大等特点，但工艺较复杂，石墨烯结构破坏严重、表面缺陷极多，电学和力学等性能较差。化学气相沉积法制备的石墨烯尺寸大、缺陷少，但制备温度较高且时间长、效率低，难以实际应用。

由于石墨烯材料的制备工艺限制，导致了石墨烯增强复合钎料的制备方法中，存在两个难点：（1）石墨烯分散性问题，传统机械球磨难以实现石墨烯在复合钎料中的均匀分散，常通过表面化学改性方法实现石墨烯的均匀分散，工艺较复杂。（2）石墨烯结构缺陷问题，根据实际制备工艺要求及添加量需求，常采用氧化还原石墨法获得的石墨烯，为此复合钎料中石墨烯结构缺陷较多。由于在较高温度下，结构破损的石墨烯极易与复合钎料中活性元素相互反应，限制了石墨烯材料在复合钎料中的广泛应用。

发明内容

本发明要解决传统方法制备石墨烯增强铜基复合钎料时存在的石墨烯分散性差、表面缺陷多、制备温度高及效率低的问题，而提供一种低温高效制备石墨烯增强铜基复合钎料的方法。

一种低温高效制备石墨烯增强铜基复合钎料的方法，具体是按照以下步骤进行的：

一、将铜粉置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空至压强为5Pa以下，以气体流量为18sccm～22sccm通入氢气，调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为190Pa～210Pa，并在压强为190Pa～210Pa和氢气气氛下40min内将温度升温至为500℃～700℃，并在温度为500℃～700℃下保温25min～35min；

二、通入氩气和碳源气体，调节氢气的气体流量为40sccm、氩气气体流量为80sccm、碳源气体的气体流量为1sccm～8sccm，并调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为800Pa～1000Pa，然后在沉积系统射频电源频率为13.56MHz、射频功率为190W～210W、压强为800Pa～1000Pa和温度为500℃～700℃条件下进行沉积，沉积时间为10s～300s，沉积结束后，关闭射频电源和加热电源，停止通入碳源气体，继续以氢气的气体流量为40sccm、氩气气体流量为80sccm通入氢气和氩气，并调节抽真空速度将等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强控制为150Pa～200Pa，在压强为150Pa～200Pa和氢气及氩气气氛下从温度为500℃～700℃冷却至室温，即得到石墨烯/铜复合粉末；

三、将金属粉末或合金粉末与步骤二制备的石墨烯/铜复合粉末放入球磨机中，进行研磨并搅拌至粉体混合均匀，即得到石墨烯增强铜基复合钎料。

本发明的有益效果是：1、本发明利用等离子增强化学气相沉积法（PECVD），通过射频作用可以将碳源（CH₄）非常快速的分解成具有相高活性的碳基团，经过金属催化剂的催化反应就可以短时间的在金属表面生长出石墨烯。即可实现低温有效的在Cu粉表面生长出石墨烯。

2、本发明利用等离子增强射频作用，不仅避免了高温热解碳源气体，而且也大幅度提高碳源气体(CH₄)的分解效率，即通入少量的碳源气体(CH₄)也会产生大量的活性碳基团，从而有效降低了制备温度、提高了制备效率。