[发明专利]一种高导高强石墨烯铜基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了复合材料技术领域的一种高导高强石墨烯铜基复合材料及其制备方法，旨在解决现有技术中需预先制备石墨烯造成生产效率低，石墨烯与铜直接复合后界面结合差且易出现裂纹、复合过程中石墨烯存在烧损和团聚的技术问题。本发明所述方法包括对铜基体的表面进行预处理，获得纳米晶表面；采用离子注入法将碳注入到铜基体表面，在铜基体表面得到碳的过饱和固溶体；将铜基体多次叠加或多次对折，通过压力成型的方法得到层状结构的铜基材料；将铜基材料加工成零件后进行再结晶退火处理。本发明所述方法无需预先制备石墨烯，石墨烯在基体中原位生长，提高了生产效率；石墨烯烧损少，且分散效果好，提高了铜基材料的综合性能。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种高导高强石墨烯铜基复合材料及其制备方法。

背景技术

铜及铜合金因为良好的导电导热和加工性能使其在汽车、航空航天和电子领域具有广泛的应用前景，但是由于铜强度较低，使用过程中易出现折断现象。因此，研发具有优良导电导热性能同时还具有高强度的铜基复合材料成为目前亟需解决的问题。近年来，基于石墨烯所特有的电学、光学和机械特性，特别是较高的载流子迁移率，研究者尝试将石墨烯作为铜基复合材料的增强体，所得到的复合材料不仅同时兼备了铜基体的高强度、导电性、导热性、耐烧蚀性以及抗氧化性等优异性能，还具有石墨的耐腐蚀性、自润滑性以及电热导等性能，在轨道交通、航天航空、军事、太阳能、机械等领域有广泛的应用。现有技术中制备铜基复合材料的方法主要是将预先制备好的石墨烯与铜粉或铜片经烧结或者层压方法进行复合，然而这些方法在制备复合材料过程中存在以下问题：1）需预先制备石墨烯，生产效率较低；2）铜与石墨烯硬度存在明显差异，压力成形过程中在两者界面处易出现裂纹，同时两者润湿性差，界面结合性能差；3）石墨烯在复合过程中存在烧损或团聚等问题。因此，如何解决这些问题，获得性能优异的石墨烯铜基复合材料是目前需解决的一个重要问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高导高强石墨烯铜基复合材料及其制备方法，以解决现有技术中需预先制备石墨烯造成生产效率低，石墨烯与铜直接复合后界面结合差且易出现裂纹、复合过程中石墨烯存在烧损和团聚的技术问题。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种高导高强石墨烯铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：对铜基体的表面进行预处理，获得纳米晶表面；采用离子注入法将碳注入到铜基体表面，在铜基体表面得到碳的过饱和固溶体；将铜基体多次叠加或多次对折，通过压力成型的方法得到层状结构的铜基材料；将铜基材料加工成零件后进行再结晶退火处理。

所述预处理的方法包括研磨、喷丸处理。

所述纳米晶的晶粒尺寸为10~300nm。

所述离子注入法的参数包括碳原子的剂量为1.5×10¹²~1×10²⁰cm^-2，电压为40~50kv。

所述压力成型的方法包括轧制、挤压、旋压、锻造。

所述压力成型在真空环境或在保护气中进行。

所述保护气包括氩气、氮气。

所述再结晶退火的温度为350~600℃。

石墨烯铜基复合材料的铜基体为纯铜或铜合金，增强体为石墨烯，形成铜-石墨烯-铜的层状结构，石墨烯层厚度为0.4nm~8nm。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

（1）本发明所述方法无需预先制备石墨烯，石墨烯在基体中原位生长，提高了生产效率；

（2）本发明所述方法中的石墨烯通过最终的再结晶退火工艺获得，因而不参与之前的基体成形过程，复合材料制备过程中石墨烯烧损少，且分散效果好；