[发明专利]一种新型铜/石墨烯/聚合物复合纤维的制备方法

说明书

本发明公开了一种新型铜/石墨烯/聚合物复合纤维的制备方法，包括以下步骤：第一步，利用抛光方法处理高纯铜纤维表面，制备低表面粗糙度的铜纤维；第二步，将高纯度铜纤维置于化学气相沉积管式炉中，通过化学气相沉积方法，在铜纤维表面生长石墨烯，从而得到铜/石墨烯复合纤维；第三步，制备铜/石墨烯/聚合物多层复合纤维；本发明的新型铜/石墨烯/聚合物复合纤维的制备方法，工艺条件简单，流程容易控制，所得复合导电纤维材料分布均匀，结合紧密，复合纤维质量较高，成品率高。

技术领域

本发明涉及一种新型铜/石墨烯/聚合物复合纤维的制备方法，属于导电材料制备技术领域。

背景技术

铜及其合金导电性和导热性较好，但硬度和强度较低，耐热性差，高温下易软化变形，故应用范围受到很大的限制；为得到高强度材料，一般采用的方法是向铜基体中加入增强体形成复合材料，常见的增强体种类有颗粒、纤维、石墨等，新型的增强体还有纳米碳管、石墨烯等；导电性是衡量铜基复合材料的重要指标，研制高强度铜基复合材料时，面临的首要问题是材料的导电性与强度难以兼顾，即强度的提高以电导率的损失为代价，强度高则电导率低；因此，在提高铜基复合材料的强度时，保证其电导率仍维持在较高水平，成为目前铜基复合材料研究的热点之一；铜纤维导电性很好，大量用于制造电线、电缆、电刷等；为了提升铜纤维的综合性能，很多研究用于制造再生铜纤维和复合铜纤维，使其具有良好的导电性能和力学性能；随着科学技术的发展，开发了以铜纤维为基体的各种新型功能性复合铜纤维，进一步扩展了铜纤维的应用领域和市场。

石墨烯具有完美的二维晶体结构，它的晶格是由六个碳原子围成的六边形，厚度为一个原子层；碳原子之间以σ键连接，结合方式为sp²杂化，这些σ键赋予石墨烯极优异的力学性能和结构刚性；其特点为轻薄、高强、导电性能优异，一度被称为“新材料之王”，这些特殊的物理性质使其在半导体材料、储能材料、高分子复合物、电子器件和传感器等众多领域有着广泛的应用；石墨烯作为一种单原子层厚度的新型二维材料，与其他碳材料相比，具有更加优异的物理和化学性能；石墨烯理论比表面积为2630 m²g^-1，杨氏模量达到1000GPa，拉伸强度为130 GPa，是钢的一百多倍；石墨烯在室温下的载流子迁移率约为15000cm²/(V s)，这一数值比超出了硅材料的10倍；同时，石墨烯具有超高热导率（~5000Wm^-1K^-1），对于能量的传输具有重要作用；石墨烯在电学方面具有量子霍尔效应、双极场效应等性质，因此在场效应晶体管、超级电容器等领域具有良好的应用前景；在各种石墨烯的制备方法中，化学气相沉积法因其能够实现大规模生产，层数可控，适宜生长高质量、大面积的石墨烯等优点，越来越受研究人员的青睐；化学气相沉积法制备过程中，基底材料的选择尤为重要；经过多年的研究结果表明，选择铜作为化学气相沉法的基底材料已得到广泛认可。

铜在石墨烯的CVD生长过程中既是生长基底，同时也作为催化剂，具有一定的催化活性；在Cu箔表面利用CVD方法获得的石墨烯，由于其特殊的生长机制，即表面自终止效应可以实现绝对单层生长，同时由于层间的范德华相互作用可以导致双层石墨烯的生长；因此，Cu箔上生长的石墨烯已经成为相关基本科学问题研究中的重要材料；在这种技术的基础上，将石墨烯生长于铜纤维的表面，亦可获得高质量石墨烯包覆的铜/石墨烯复合材料，然而目前此类研究较少；目前可以将石墨烯包覆于铜纤维的方法主要有：CVD法、水热法、喷涂法等，然而水热法所得石墨烯与铜纤维界面松散，产生较大空隙，界面连接不牢固，喷涂法工艺简单，但难以涂覆均匀；CVD法获得石墨烯的质量最好，且与铜表面相容性很高，能够充分发挥复合结构的优势和性能。