[发明专利]一种金属石墨烯复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

   本发明涉及材料领域，具体涉及一种金属石墨烯复合材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯作为目前世界上强度最高的物质，杨氏模量高达1TPa，且密度较小，因此具有较高的E/ρ共振频率，是当前微电子机械系统材料不可或缺的一部分。另外，石墨烯断裂强度高达130Gpa，是钢的200倍，除了具有最高的强度之外，其摩擦系数最低，润滑性能很好。石墨烯在力学方面的特殊性能将成为未来空间和信息技术中基本构件的候选材料之一。

目前，人们利用石墨烯优异的润滑性能，主要通过氧化还原法制备石墨烯以及经过化学气相沉积法在不同衬底上的转移获得石墨烯的应用。采用化学吸附和氧化石墨烯的热还原多步反应法，在硅片上制备出的氧化还原石墨烯（RGO）缺陷多，工艺复杂；近期美国阿贡国家实验室科学家A. Sumant等人，通过将商业化石墨烯片吸附在钢板上，发现其摩擦系数降低了85%，耐磨性提高了近两倍，其所用方法主要是通过在钢表面吸附大量的氧化还原石墨烯，该方法并未能实现石墨烯与基体直接的紧密结合，摩擦过程中由于吸附的氧化石墨烯不能保证均匀地分布在钢表面且易石墨化；而人们通过在铜表面化学气相沉积生长的石墨烯，需经过铜腐蚀之后再转移到硅片上，利用该方法所测的石墨烯具有较好的润滑性能，但是载荷小，且摩擦寿命低，重要的是需要消耗大量的铜材料，材料浪费严重。

发明内容

本发明的目的是提供金属石墨烯复合材料，由于石墨烯具有优异的力学性能，使得石墨烯薄膜对纯金属或合金表面润滑性能得到了大幅度提高，降低了纯金属或合金表面的摩擦力，提高了纯金属或合金的润滑寿命。

本发明的另一目的是提供金属石墨烯复合材料的制备方法，能够在大面积金属材料上生长石墨烯，无需腐蚀铜箔，制备工艺简单，生产成本低，便于工业化生产。

一种金属石墨烯复合材料，包括金属基底、渗铜层和石墨烯薄膜，所述金属基底与渗铜层冶金结合，所述石墨烯薄膜生长于渗铜层的外表面。

所述金属石墨烯复合材料的制备方法，首先在基底表面形成渗铜层，然后在渗铜层表面形成石墨烯薄膜。

所述基底的材料为纯金属或合金。

采用双辉等离子表面合金化的方法在所述基底表面形成渗铜层。

采用化学气相沉积法在渗铜层表面催化生长形成石墨烯薄膜。

所述双辉等离子表面合金化的方法包括如下步骤：

（1）在双层辉等离子表面冶金炉中，将基底作为工件极，将铜材料作为源极靶材，基底与铜材料的间距为极间距；工件极、源极为阴极，所述双层辉等离子表面冶金炉的腔室为阳极；

（2）在氩气氛下，设置工件极电压为300-400 V，预轰击基底；调节工件极电压为300-500 V，将源极电压调整到750-850V，使工件极温度达到700-800℃，保温2-4小时；

（3）关闭源极电源，调整氩气压到10-25 Pa，将工件极电压降到200-300 V，微辉保护降温；停止通入氩气，关闭工件极电源，炉内抽到极限真空，冷却到室温，出炉。

所述化学气相沉积法包括如下步骤：

（1）将表面形成了渗铜层的基底放入管式炉中，持续通入甲烷和氢气，升温至900-1200℃，保温25-35 min；所述甲烷的体积流量为90-110sccm，所述氢气的体积流量为15-25 sccm；

（2）调整氢气体积流量为55-65sccm，在900-1200℃保温10-15min；

（3）停止通入甲烷，调整氢气体积流量为15-25 sccm，降温至室温。

本发明方法的优点如下：

（1）本发明金属石墨烯复合材料包括金属基底、渗铜层和石墨烯薄膜，金属基底与渗铜层冶金结合，石墨烯薄膜生长于渗铜层的外表面。由于金属基底与渗铜层冶金结合，所以铜固溶于金属基底内部，达到一定固溶度之后，从基底内部析出铜层，作为石墨烯催化生长的载体。本发明金属石墨烯复合材料在纯金属或合金表面形成渗铜层，然后在渗铜层表面催化生长石墨烯薄膜（1-10nm），由于石墨烯具有优异的力学性能，使得石墨烯薄膜对纯金属或合金表面润滑性能得到了大幅度提高，降低了纯金属或合金表面的摩擦力，提高了纯金属或合金的润滑寿命。因此，本发明金属石墨烯复合材料各组成部分之间结合紧密。