[发明专利]一种改善石墨烯铜基复合材料界面结合强度的方法

说明书

本发明公开了一种改善石墨烯铜基复合材料界面结合强度的方法，该方法包括以下步骤：一、选择市售的石墨烯材料作为增强体，市售的铜基粉末作为基体，选择钨粉作为界面产物前驱体；二、将石墨烯材料、铜基粉末和钨粉在保护气氛下进行球磨混匀，得到混合粉末；三、将混合粉末进行烧结成型，得到石墨烯铜基复合材料。本发明通过引入钨粉在石墨烯与铜基体的界面处原位形成非连续的W_xC_y纳米颗粒或纳米层，将石墨烯与铜基体之间非润湿的物理结合界面改善为润湿性的化学反应结合界面，提高了石墨烯铜基复合材料中石墨烯与铜基体的界面结合强度，从而提高了石墨烯铜基复合材料的力学性能，延长了其使用寿命，使其适用于高铁电缆领域。

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种改善石墨烯铜基复合材料界面结合强度的方法。

背景技术

铜及铜合金作为传统的有色金属材料广泛应用于各个领域。例如：电子封装、轨道交通、高压电极材料等。这是由于铜合金材料具有高的导电、导热性能，良好的塑性和可加工性能。但是，铜合金作为工程结构用材料就要求具有更高的强度和硬度等优异的力学性能。这恰恰是铜合金材料的性能薄弱之处。随着材料科学和工业化的发展，工程用铜合金材料对高强高导铜材料提出了迫切需求。

金属基复合材料具有增强体和基体的优异特性，通过特殊的构型设计和制备手段可以获得结构功能一体化高性能复合材料。中国专利CN106548831B公开一种石墨烯铜复合线材的制备方法，获得良好力学性能和导电性能的铜线材。同时文献(Copper-graphenebulk composites with homogeneous graphene dispersion and enhanced mechanicalproperties,Materials Science and Engineering A 2016,654,124-130)报道通过石墨烯在铜基体中的均匀分散实现复合材料力学性能提升。由此可见，石墨烯对铜基复合材料性能的改善具有明显的效果。但是，根据铜-碳相图，铜与碳在室温和高温下均没有固溶度，且两者的接触角为140°，属于非润湿界面类型。这说明石墨烯与铜之间的界面结合属于简单的物理结合，结合强度很差。在外加载荷的作用下，石墨烯极其容易从铜材料中剥落，这严重影响复合材料的使用寿命。归根结底还是界面结合性能差导致的。

目前，改善石墨烯与铜的界面结合行为主要有以下两种方法：(1)通过化学镀在石墨烯表面镀覆金属铜或镍颗粒；(2)在铜颗粒采用CVD表面原位合成石墨烯等。尽管上述两种方法可以提高复合材料的力学性能，但是对导电性能有一定损害；另外，缺点也很明显：样品产量小，不能大规模生产，制备工艺复杂，对设备要求较高，且化学镀过程中产生的废液回收困难等。因此，需要开发一种简单高效的方法来提升石墨烯与铜之间的界面强度结合的方法，来获得高性能的石墨烯铜基复合材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种改善石墨烯铜基复合材料界面结合强度的方法。该方法通过引入钨粉在石墨烯与铜基体的界面处原位形成非连续的W_xC_y纳米颗粒或纳米层，将石墨烯与铜基体之间非润湿的物理结合界面改善为润湿性的化学反应结合界面，显著提高了石墨烯铜基复合材料中石墨烯与铜基体的界面结合强度，从而提高了石墨烯铜基复合材料的力学性能，延长了石墨烯铜基复合材料的使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种改善石墨烯铜基复合材料界面结合强度的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、原料选择：选择市售的石墨烯材料作为增强体，市售的铜基粉末作为基体，选择钨粉作为界面产物前驱体；

步骤二、均匀分散：将步骤一中选择的石墨烯材料、铜基粉末和钨粉放置于行星式球磨机的球磨罐中，在保护气氛下进行球磨混匀，得到混合粉末；

步骤三、烧结成型：将步骤二中得到的混合粉末进行烧结成型，得到石墨烯铜基复合材料。