[发明专利]一种石墨烯-氧化铝混杂增强铜基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯‑氧化铝混杂增强铜基复合材料，所述复合材料中含有下列重量百分比的组分：石墨烯0.1‑1.0wt％，Al₂O₃1.0‑1.2wt％，余量为铜。本发明的铜基复合材料中，采用石墨烯和氧化铝作为复相增强体，其中，石墨烯纳米片特有的二维结构可以有效钉扎零维氧化铝颗粒，产生空间位阻效应，从而有效改善颗粒的团聚现象和均匀分散；石墨烯表面化学镀镍改性处理则可以明显改善石墨烯/铜基体之间的润湿性和界面结合情况，形成理想的界面结合，从而最大程度地发挥石墨烯和氧化铝颗粒之间的协同作用，全面提高铜基复合材料的综合性能，包括强度、硬度、导电性、摩擦磨损性能。

技术领域

本发明涉及铜基复合材料的制备技术领域，具体涉及一种石墨烯-氧化铝混杂增强铜基复合材料及其制备方法。

背景技术

近年来，随着空天技术、航空航天、电子通讯、轨道交通等领域的迅猛发展，对宽温域、高强、高导、高耐热、优异自润滑减磨功能材料的需求日益强烈，传统单质金属材料已经难以满足现实需要，材料复合化已成为其发展的必然趋势。

作为金属基复合材料领域的重要组成部分，铜基复合材料受到了众多科研工作者的普遍关注。传统的铜基复合材料常采用SiC、Al₂O₃、Si₃N₄等颗粒及晶须作为增强体，这些硬质颗粒或晶须本身具有高强耐磨的特点，因此添加这些硬质颗粒既可以强化基体，又可以提高材料的摩擦磨损性能；但是，这些增强体材料的导电性能欠佳，增强体含量较高时会使铜基复合材料的导电性能发生较大程度的下降，复合材料不能兼备高强高导电与高耐磨性能。而在许多专业领域，诸如电磁炮导轨材料、大功率雷达部件、ITER垂直靶材散热片、电气化铁路架空导线以及汽车自动化焊接电极等，对复合材料的综合性能提出了更为苛刻的要求，现有的颗粒增强的铜基复合材料难以同时满足这些特殊性能和使用寿命上的要求，因此，开发新的兼具优异导电性能、力学性能和摩擦磨损性能的铜基复合材料是目前亟待解决的技术问题。

石墨烯是一种具备高强度、低密度以及良好导电性与导热性的二维纳米级材料，易与其他材料粒子结合，因此，将密度小强度大的石墨烯作为增强相材料的研究在材料科学与工程领域受到了广泛的关注。然而目前对于石墨烯强化铜基复合材料的研究较少，主要因为：(1)石墨烯尺寸较小，比表面积大，自身容易发生团聚，在铜基中难以形成单分散纳米增强相；(2)由于石墨烯与金属铜属于不同的材料体系，石墨烯增强相与铜基体间难以形成结合强度大、优质有效的相界面。这些问题严重影响了复合材料的性能。

为解决以上问题，已有学者进行了相应的研究，如专利CN103952588A公开了一种高强高导石墨烯铜基复合材料及其制备方法，通过在硫酸铜溶液中加入氧化石墨烯，以水合肼溶液还原出纳米铜粉和石墨烯，再经还原、放电等离子体烧结等步骤制备出复合材料。复合材料展现出较为优良的综合性能，但氧化石墨烯的还原程度、水合肼毒性等问题未获得根本性解决。

专利CN103736993公开了一种石墨烯/铜复合材料的制备方法，步骤包括：称取五水合硫酸铜、硫酸镍、柠檬酸、硼酸配制成混合溶液A；将混合溶液A放置于磁力搅拌水浴锅中加热，再加入氧化石墨烯溶液，搅拌，制成混合溶液B；向混合溶液B中加入次亚磷酸钠溶液，搅拌，进行加速反应，超声分散处理，即可获得均匀分散的石墨烯/铜复合材料溶液，再经过滤、洗涤、真空干燥、还原等步骤，制备得到石墨烯/铜复合材料。但该方法步骤繁琐，且会存在还原不彻底残留氧化石墨烯的可能。

另外，在复相增强体混杂强化铜基复合材料领域也已进行了部分研究，如专利CN102978434A公开了一种短纤维与颗粒协同增强铜基复合材料及其制备方法，所述短纤维为碳纳米管、纳米碳纤维、陶瓷纤维等，增强颗粒为氧化铝、氧化锆、二氧化钛、碳化钛、碳化钨等，经混合、成形、烧结、加工获得复合材料，复合材料的部分性能指标有一定的优势，但其他性能指标仍然达不到满意效果。而以石墨烯-氧化铝作为复相增强体混杂增强的铜基复合材料目前还未见有报道。

发明内容