[发明专利]提高铜基石墨烯复合材料中石墨烯与铜基体结合力的方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属基复合材料技术领域，尤其涉及一种提高铜基石墨烯复合材料中石墨烯与铜基体结合力的方法。

背景技术

铜及铜合金材料具有良好的导电导热性能和易于成型等优点，已广泛应用于航空航天、交通、机械工业、能源化工、通讯、电气、电力电子和国防工业等领域。随着现代科学技术的发展，传统的铜及铜合金已不能满足实际应用的性能需求，通过在铜及铜合金基体中添加具备该金属基体欠缺性能的填充料，使其拥有更为优异的综合性能，能够有效地扩大铜及铜合金的应用领域。

石墨烯具有强度高、载流子迁移率高、导热性能优异、透光率高等性能，近年来受到人们的广泛关注。与碳纳米管和金刚石相比，石墨烯具有更高的导电率和热导率，是一种理想的复合材料填充料。目前，石墨烯复合材料的研究主要集中在聚合物基石墨烯复合材料领域，而对于金属基石墨烯复合材料，尤其是金属合金基石墨烯复合材料的研究较少。这主要是由于金属基石墨烯复合材料的研究面临着技术难题：石墨烯与金属基体的结合力弱；另外，还存在石墨烯在金属基体中容易发生团聚的技术难题，这两大技术难题致使目前制备的金属基石墨烯块体材料无法获得预期的优异性能。

目前改善金属和石墨烯结合力的方法主要有两种：一种方法是在石墨烯表面镀敷镍、铜、银等金属颗粒。但此方法多涉及电镀或化学镀过程，过程复杂，且不同程度地使用了有毒有害化学药品，不利于环保和安全。另一种方法是在石墨烯表面添加官能团进行表面改性。但此方法由于改变了石墨烯的表面结构，从而会削弱石墨烯的性能。

发明内容

针对上述技术现状，本发明旨在提高铜基石墨烯复合材料中基体与石墨烯增强相间的结合，从而提高该复合材料的抗拉伸性能。

为了实现上述技术目的，本发明人经过大量实验后发现，在铜基体中添加铬、钒、钛、镍、钨、锡、铌等合金元素，通过湿磨法与石墨烯复合，然后利用放电等离子烧结(SPS)技术烧结成型，得到的铜基石墨烯复合材料的抗拉伸性能得到较大改善。

即，本发明所提供的技术方案为：一种提高铜基石墨烯复合材料中石墨烯与铜基体结合力的方法，包括如下步骤：

在铜粉中添加合金粉体，机械合金化，得到铜合金粉体；

将乙醇与石墨烯混合，均匀分散后石墨烯分散液；

将铜合金粉体与石墨烯分散液球磨混合均匀，然后过滤、真空干燥，得到铜合金石墨烯复合粉体；

将铜合金石墨烯复合粉体加入石墨模具中，预压成型后放入放电等离子烧结炉中进行放电等离子烧结成型，得到铜基石墨烯复合材料。

在上述铜合金粉体与石墨烯分散液球磨的过程中，铜基体及合金由于放热可能形成 氧化铜等氧化物，作为优选，在步骤(4)之前，首先将步骤(3)制得的铜合金石墨烯复合粉体在氢气保护气氛中进行还原，还原温度优选为200～500℃。

所述的合金元素不限，包括铬、钛、钒、镍、钨、铌等元素中的一种元素或两种以上的混合元素。

所述的合金粉体的粒径优选小于5μm。

所述的铜粉粒径优选小于或等于400目。

所述的铜粉与合金粉体优选采用高能球磨进行机械合金化；作为进一步优选，所述的球料比为5:1～10:1，球磨转速为100～400r/min，球磨时间为10h～70h。

所述的石墨烯尺寸优选为5～10μm，厚度优选小于或等于10nm。

所述的石墨烯分散液的浓度优选为0.2～12g/L。

作为优选，采用超声分散石墨烯分散液，超声分散时间优选为0.5～2h。

铜合金粉体与石墨烯分散液混合时优选采用球磨混合；作为进一步优选，球料比为2:1～5:1，球磨转速为100～400r/min，球磨时间为2h～10h。

SPS烧结工艺优选在真空或者惰性气体保护环境下进行，真空度进一步优选为10^-4～10^-1Pa。

所述的预压压力优选为5～15MPa。

所述的SPS烧结工艺中，升温速率优选为20～150℃/min，烧结温度优选为500～900℃，压制压力优选为30～60MPa，保温时间优选为2～10min。

另外，为了该复合材料还兼具有良好的导电、导热、强度和耐磨性能，作为优选，所述的合金粉体占铜合金粉体的0.1～15at％。作为优选，所述的石墨烯占石墨烯与铜合金粉体总质量的0.01～5wt％。