[发明专利]一种基于原位合成的石墨烯铜基复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种基于原位合成的石墨烯铜基复合材料的制备方法。本发明先通过溶液浸渍工艺在电解铜粉表面包覆高分子固态碳源，然后通过化学气相沉积工艺在铜粉表面原位生成石墨烯，进一步地，采用机械球磨工艺将石墨烯球磨进铜颗粒内部，获得石墨烯铜复合粉体，最后采用粉末冶金成型及变形加工工艺获得质量良好的石墨烯铜基复合材料。本发明以高分子为固态碳源在电解铜粉表面原位合成石墨烯，实现了石墨烯在铜粉中的均匀分散，节省了石墨烯原料成本。本发明工艺简单，有效解决了石墨烯均匀分散及石墨烯与铜界面结合的问题，大量节省了石墨烯原料成本，非常适用于高性能石墨烯铜基复合材料批量化生产制备。

技术领域

本发明涉及的是一种基于原位合成的石墨烯铜基复合材料的制备方法，属于复合金属材料的制备技术领域。

背景技术

铜基复合材料具有优异的导电、导热及力学性能，被广泛应用于电子封装材料、摩擦材料、导电及电接触材料。传统的铜基复合材料的增强体主要包括陶瓷颗粒、碳材料等，如碳化硅、氧化铝、石墨、金刚石等。陶瓷颗粒机械强度高却不导电，以其为增强体会严重削弱铜基体的导电性能。石墨烯一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面二维纳米材料，具有良好的导电、导热及力学性能。单层石墨烯理论断裂强度高达130Gpa，导热系数高达5000W/(m·K)，石墨烯电阻率仅10-6Ω·cm。以石墨烯作为增强体可在提高铜基体强度的同时不削弱其导电、导热性能，是铜基复合材料理想的增强体。

以石墨烯作为增强体制备铜基复合材料，须克服两大困难：(1)石墨烯比表面积大，本身易团聚，且石墨烯与铜粉密度差别极大，石墨烯难以均匀分散于铜基体中；(2)石墨烯与铜基体即不润湿也不发生化学反应，石墨烯与铜基体难以形成良好界面结合。现阶段，将石墨烯分散至铜基体中主要有四种方法，分别是机械球磨/搅拌，化学/电化学合成，铜粉表面改性和铜粉表面原位生长石墨烯工艺。其中机械球磨工艺难以实现石墨烯的均匀分散，化学/电化学工艺产率低且环境不友好，铜粉表面改性工艺会引入多余的杂质，铜粉表面原位合成工艺可最大程度实现石墨烯在金属基体中的均匀分布，且大量节省石墨烯原料成本，是理想的批量化制备高强高导铜基复合材料制备工艺。

专利CN201711125991.6-一种利用CVD方法直接在铜粉表面包覆石墨烯的方法、CN201410066469.50-一种高效原位制备石墨烯增强铜基复合材料的方法、均以含碳气体为碳源在铜粉表面生长石墨烯，其处理工艺或者设备复杂，处理温度高，铜粉易烧结在一起，后续复合材料成型加工困难。专利CN201510227782.7在铜粉表面原位催化固体碳源制备石墨烯/铜复合材料的方法、CN201510679161.2一种三维石墨烯原位包覆铜复合材料的制备方法、CN201610697806.X-一种球形铜粉表面原位生长三维石墨烯的制备方法均采用将球磨工艺将固态碳源PMMA与铜粉通过球磨工艺混合，得到球磨铜片表面的PMMA厚度较大，在还原处理的过程中不能够完全将其转化为石墨烯，并残留部分碳产物，可能导致在后续制备块体材料上影响其增强效果，且球磨工艺不能使得铜粉表面完全包覆高分子碳源，铜粉在高温处理过程中易烧结成块体。

专利CN201510506051.6-一种用浸渍法在铜粉表面负载固体碳源制备石墨烯/铜复合材料的方法以PMMA为固态碳源，采用二甲基甲酰胺或丙酮溶液为溶剂，以球磨片状化铜粉为原料，通过溶液浸渍的工艺得到石墨烯包覆铜复合粉体。由于石墨烯与铜基体不润湿，在随后烧结成型过程中铜粉颗粒之间由于存在石墨烯而不能烧结在一起，严重削弱基体的强度。

发明内容

本发明的目的是：针对上述问题，本发明首先以聚乙二醇/聚乙烯醇为固态碳源，以乙醇为溶剂，以树枝状电解铜粉为原料，在氢氩混合气氛条件下在铜粉表面原位生成石墨烯薄膜。通过溶液浸渍工艺可以实现高分子对铜粉的完全包覆，因此可以预防铜粉在高温处理过程中烧结成块。其次，通过对石墨烯包覆电解铜粉进行球磨处理，可将包覆在铜粉枝晶间石墨烯球磨进入铜粉内部，铜粉表面只有局部被石墨烯包覆。这一方面可以通过机械球磨实现石墨烯与铜基体的良好界面结合，另一方面解决了石墨烯包覆铜粉难以烧结成型的问题。