[发明专利]自支撑石墨烯纳米片表面修饰铜基复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种自支撑石墨烯纳米片表面修饰铜基复合材料及其制备方法和应用。该方法是将Ni(NO₃)₂水溶液滴加到由氧化石墨烯和稀氨水组成的分散水溶液中，室温反应后，过滤、去离子水冲洗并干燥产物，干燥产物在氩气中500～600℃反应后，得到镍纳米粒子表面修饰石墨烯纳米片，将其与铜粉搅拌混合后置于石墨模具中，经加热加压烧结后，得到石墨烯/铜基复合材料，并以此为阳极，石墨电极为阴极，两极置于电解抛光液中，并在两极间施加恒定电压，部分溶解石墨烯/铜基复合材料表面铜成分，得到自支撑石墨烯纳米片表面修饰铜基复合材料。它可以用作自润滑材料，具有摩擦系数低，磨损量少，承载力高，寿命长的优点。

技术领域

本发明属于自润滑复合材料技术领域，更具体地，涉及一种自支撑石墨烯纳米片表面修饰铜基复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

铜基固体自润滑复合材料既能保持铜基体优良的导电、导热能力和良好的耐腐蚀性等综合性能，又能容纳固体润滑剂特有的润滑性能，在滑动材料和电接触材料领域有着广泛的应用空间。然而，随着现代航空航天、高速列车、汽车以及先进武器系统等的迅速发展，传统铜基固体自润滑复合材料因力学性能差、易磨损等不足严重限制了该材料在苛刻条件下的应用。与常规固体润滑剂，如石墨，二硫化钼和碳纤维等相比，石墨烯因其表面能低、强度高、抗剪切能力低等特点有望成为高性能纳米填料，进一步提高铜基固体自润滑复合材料的性能，扩展其应用领域。然而，据目前的报道，石墨烯增强铜基复合材料的力学性能与自润滑性能并不能很好的兼容。例如，申请号为201610377978.9的专利指出如果要求复合材料的力学性能优于纯铜材料，石墨烯的质量分数应控制在0.5％以内；然而文献(Carbon,96(2016)836-842)指出如果要求复合材料具有明显的润滑性能(平均摩擦系数小于0.2)，石墨烯的质量分数应大于1％。上述矛盾的主要原因是当石墨烯的含量过高时，复合材料的孔隙率上升，同时复合材料中石墨烯出现团聚现象，大大地削弱石墨烯对复合材料力学性能的强化效应；然而当石墨烯的含量过低时难以在摩擦副的接触表面间形成一层剪切强度较低的固体自润滑膜，因此，未能有效阻止对磨表面间的直接接触，达到减小摩擦、降低磨损的目的。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，提供一种自支撑石墨烯纳米片表面修饰铜基复合材料的制备方法。该方法采用原位法制备镍纳米粒子表面修饰石墨烯纳米片，与常用的化学镀方法相比，方法简易，成本低廉，镍纳米粒子更均匀和牢固地分布于石墨烯纳米片上。

本发明的另一目的在于提供上述方法制备的自支撑石墨烯纳米片表面修饰铜基复合材料。该复合材料是由石墨烯纳米片和铜基体组成，石墨烯纳米片一部分均匀分散于铜基体内部，形成石墨烯/铜基复合材料，一部分均匀分散于石墨烯/铜基复合材料表面，且这些石墨烯纳米片的平面一部分嵌于复合材料内部，而另一部分露于复合材料表面，形成自支撑结构

本发明的再一个目的在于提供上述自支撑石墨烯纳米片表面修饰铜基复合材料的应用。

本发明上述目的通过以下技术方案予以实现：

一种自支撑石墨烯纳米片表面修饰铜基复合材料的制备方法，包括以下具体步骤：

S1.将Ni(NO₃)₂水溶液滴加到由氧化石墨烯和稀氨水组成的分散水溶液中，室温反应后，过滤、去离子水冲洗并干燥产物，干燥产物在氩气中500～600℃反应后，得到镍纳米粒子表面修饰石墨烯纳米片；

S2.把S1得到的镍纳米粒子表面修饰石墨烯纳米片与铜粉搅拌混合后置于石墨模具中，经加热加压烧结后，得到石墨烯/铜基复合材料；

S3.以S2制得的石墨烯/铜基复合材料为阳极，石墨电极为阴极，两极置于电解抛光液中，并在两极间施加恒定电压，部分溶解石墨烯/铜基复合材料表面铜成分，得到自支撑石墨烯纳米片表面修饰铜基复合材料。