[发明专利]一种三维石墨烯薄膜的制备方法及三维石墨烯-铜复合电缆

说明书

本发明公开一种三维石墨烯薄膜的制备方法及三维石墨烯‑铜复合电缆，经过镍网表面去污‑高温CVD方法生长石墨烯‑浸泡/高温固化‑刻蚀基底‑去除PMMA，得到三维石墨烯薄膜，结构缺陷少，层数少，尺寸大，质量高。再经过传统的电线电缆导体制备工艺得到石墨烯‑铜复合电缆，工艺过程简单，成本低，易于实现工业化生产，该导体中的石墨烯呈3D网络结构，其导电性、导热性及其力学性能均优于纯金属导体。

技术领域

本发明涉及电线电缆制备及纳米材料合成技术领域，具体涉及一种三维石墨烯薄膜的制备方法及三维石墨烯-铜复合电缆。

背景技术

电线电缆行业是经济建设重要的配套产业，广泛应用于国民经济各个领域。电线电缆的导体绝大部分采用铜和铝两种材料，或者在某种特殊的领域采用银或者超导材料。铜导体具有优越的导电性、抗腐蚀性、机械性能，其用量远远超过铝导体，成为电缆导体的首选材料。铜或铜合金是电线电缆中应用最为普遍的材料，其价格低廉、导电导热性能优良、塑性耐腐蚀性能良好。但是纯铜导线强度低，易发生断线，电网故障高；纯铜接触线抗软化温度低，耐热性能差。此外，纯铜接触导线暴露出来的主要缺点是耐磨性差，在高速、重载线路上随着牵引电力机车功率增大，电气磨耗随之增大，使其寿命大大缩短。因此对铜粉体进行处理，引入具有特殊优异性能的第二相使之成为铜复合粉体材料，有效改善铜合金本身的应用性能，已然成为现代工业发展的技术趋势。引入的第二相可以是纤维也可以是颗粒，可以是氮化物、氧化物甚至是碳材料，其中碳材料可以分为碳纳米管、碳纤维、石墨烯。

石墨烯是单层原子厚度的石墨，具有二维蜂窝状网格结构，具有由sp2杂化而形成的杂化轨道。与苯的结构相似，石墨烯的结构具有p轨道的共轭环，即石墨烯结构是芳族结构。与诸如金刚石、无定形碳、碳纳米泡沫、或富勒烯的其它碳的同素异形体不同，石墨烯仅有一个原子层厚。石墨烯具有不寻常的能带结构，其中锥形电子和空穴袋仅在动量空间中的布里渊区的K点处相遇。电荷载流子(即电子或空穴)的能量具有对载流子的动量的线性相关性。因此，载流子如同具有零有效质量的相对的狄拉克-费米子，并由狄拉克方程支配。电子可在晶体中自由移动，使得石墨烯具有十分优异的电子传输性能。由于具有优异的力学、热学、电学和磁学性能，石墨烯有望在高性能纳电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器、能量储存等领域获得广泛应用。石墨烯在结构上具有延展性，其电学、光学以及声学特性都可以通过应力和形变进行大幅调整。甚至可以改变石墨烯的带宽结构，对弯曲、折叠以及卷曲的石墨烯的研究也正开始加速。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种结构缺陷少，质量高的三维石墨烯薄膜的制备方法及导电性、导热性高的三维石墨烯-铜复合电缆。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种三维石墨烯薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤a：采用镍网作为反应基底，对镍网的表面进行去污处理，所述去污处理为冰醋酸溶液浸泡、超声水洗、冷风吹干；

步骤b：将经步骤a去污处理后的镍网放在石英舟内，置于管式炉中，在还原气体和保护气体的氛围下，通入碳源气体，保持在常压和900℃～1100℃的温度下，采用高温CVD方法在镍网的表面生长石墨烯，得到镍网-石墨烯复合物；

步骤c：将步骤b得到的镍网-石墨烯复合物在固化液中浸泡，然后进行高温固化，冷却之后得到固化物，所述固化液以PMMA作为溶质、以乳酸乙酯作为溶剂；

步骤d：将步骤c得到的固化物浸入刻蚀液中，以硫酸铜和等离子水盐酸配制的溶液作为刻蚀液，对金属进行刻蚀以去除镍网，得到样品；

步骤e：将步骤d得到的样品放入丙酮溶液中浸泡，然后用乙醇溶液进行浸泡清洗，烘干，最后进行退火处理，得到完整的三维石墨烯薄膜。