[发明专利]一种石墨烯/铜复合导电材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种石墨烯/铜复合导电材料及其制备方法，所述复合材料由石墨烯均匀分散在铜基体中形成；制备方法为：首先将有机聚合物薄膜的至少一个表面暴露于激光辐照下，使有机聚合物的表面碳化形成石墨烯，并呈三维多孔结构；然后将上述石墨烯连同基底一起置于硫酸铜电镀液中进行电化学镀铜形成石墨烯/铜复合材料；进一步在真空气氛下干燥处理后，将复合材料从基底上剥离；最后压制成型和高温烧结得到石墨烯/铜复合导电材料。本发明提供的石墨烯/铜复合导电材料，由于石墨烯在铜基体中的均匀分布，展现出良好的力学性能和电学性能，且制备方法操作简单、原料易得，可以满足不同应用需求，尤其是在铜电缆领域的应用，因此便于推广。

技术领域

本发明涉及石墨烯基复合材料领域，具体为一种石墨烯/铜复合导电材料及其制备方法。

背景技术

石墨烯是一种由单层碳原子形成蜂窝状结构的二维材料，由于独特的结构使其在电学、光学、化学、力学和热学等领域都具有非常优异的性能。电学方面，石墨烯中电子迁移率可以达到15000cm²/(V·S)，约是硅中电子迁移率的140倍。力学方面，石墨烯的抗拉强度和弹性模量分别达到125GPa(单层石墨烯)和1.1TPa，约是普通钢材抗拉强度的100倍。热学方面，石墨烯室温热导率约为5×103W·m^-1K^-1，高于碳纳米管和金刚石，是室温下铜的热导率(401W·m^-1K^-1)的10倍多。

石墨烯的这些性质使其成为复合材料领域的一种理想的增强体，有望开发出功能多样的石墨烯基复合材料，解决传统材料在应用中面临的困难。铜基复合材料因其高的导电导热性和良好的加工性能等，在电工电子、汽车、航空航天等领域得到了广泛的应用。石墨和碳纤维等作为铜基复合材料的增强体虽然能够提高其机械性能，但降低了铜基复合材料的导电导热性，难以满足一些高端领域的需求。使用石墨烯作为增强相的石墨烯/铜复合材料有望解决以上难题。

目前石墨烯/铜复合材料主要的制备手段是从外部引入石墨烯，使石墨烯作为增强相镶嵌于金属基体中。但最难解决的问题是如何保证石墨烯在金属基体中的均匀分散，而石墨烯的分布不均匀和团聚会使得复合材料的性能达不到预期。这一问题的难度主要体现在以下两点：

(1)石墨烯的密度低于1g/cm³，而铜的密度是8.9g/cm³。密度的巨大差异使得常规的粉末混合很难均匀；

(2)常规制备的石墨烯中C-C键是强疏水结构，因此非常容易发生团聚，难以均匀分散。

只有解决以上问题，真正实现石墨烯在复合材料中的均匀分布，才能充分利用石墨烯在力学、电学和热学方面的优异性能，大幅提高石墨烯/铜复合材料的质量水平。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯/铜复合导电材料及其制备方法，以实现石墨烯在复合材料中的均匀分散，提高复合材料的导电性和强度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种石墨烯/铜复合导电材料制备方法，所述石墨烯/铜复合导电材料制备方法包括以下步骤：

(1)有机基底上多孔石墨烯的制备；

将有机聚合物薄膜聚酰亚胺暴露于CO₂红外激光辐照下，聚酰亚胺的表面被碳化形成多孔石墨烯，未受激光影响的部位作为基底起到支撑石墨烯的作用，即得到有机基底上的多孔石墨烯；

(2)石墨烯/铜复合材料的制备；

将所述有机基底和所述石墨烯一起置于电镀液中，然后以所述石墨烯为工作电极，以铂片为辅助电极，以饱和硫酸亚汞电极为参比电极进行电化学镀铜，最终在有机基底上制备出石墨烯/铜复合材料；然后将所述石墨烯/铜复合材料和所述有机基底取出进行真空干燥后，再将所述石墨烯/铜复合材料从所述有机基底上剥离；