[发明专利]一种石墨烯铜基复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及电工材料技术领域，具体涉及一种石墨烯铜基复合材料及其制备方法和应用。本发明提供的石墨烯铜基复合材料的制备方法，包括如下步骤：在第一铜板材上依次叠放石墨烯层和第二铜板材，得到石墨烯夹层胚样；对夹层胚样采用累积叠轧焊法进行轧制，得到粗坯；对粗坯进行退火处理，冷却，得到所述石墨烯铜基复合材料。本发明提供的石墨烯铜基复合材料的制备方法，利用石墨烯的高导电性以及石墨烯铜复合体系的复合效应和协同效应，在材料中形成完整石墨烯导流通道，获得高导电线缆材料，使其具备更好的导电性及机械性能，广泛用于电工领域中的输电线缆。

技术领域

本发明涉及电工材料技术领域，具体涉及一种石墨烯铜基复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

在国家电网“西电东送、南北互供、全国联网”形势下，输电线路的高压化、远距离化和大容量化对输电线路中使用的电缆的输电性能和强度的要求越来越高。目前我国公共场所和高层建筑所用的电缆基本使用铜作为电缆的导体(缆芯)，虽然铜的导电性能较好，但其密度较大，抗弯性能不佳，越来越难以满足现代电缆对其输电性能和强度的要求。

石墨烯为具有一个原子层厚度的二维蜂窝网状结构材料，是目前已知的电学性能最好的材料，具有超高的电子迁移率；同时具有耐腐蚀、高模量的特性，现有技术虽也有将石墨烯掺杂到铜基材料中的技术研究，但其多为在熔炼阶段将石墨烯掺杂入铜基材料中，其制备得到的复合材料难以满足电缆对输电性能和强度的要求。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有工艺制备的石墨烯掺杂铜基材料无法有效满足电缆对输电性能和强度要求的缺陷，从而提供一种石墨烯铜基复合材料及其制备方法和应用。

为此，本发明提供如下技术方案：

一种石墨烯铜基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

1)在第一铜板材上依次叠放石墨烯层和第二铜板材，得到石墨烯夹层胚样；

2)对夹层胚样采用累积叠轧焊法进行轧制，得到粗坯；

3)对粗坯进行退火处理，冷却，得到所述石墨烯铜基复合材料。

优选的，所述石墨烯层由5-20层的单原子层石墨烯形成，单原子层石墨烯的厚度为0.1-60nm。本发明所述5-20层的单原子层石墨烯可采用机械剥离法制备得到。本发明不对石墨烯的种类做具体限定，包括但不限于机械剥离石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯。

优选的，所述第一铜板材和第二铜板材的铜含量不小于99.9％(质量含量)，可选的，所述第一铜板材和第二铜板材的铜含量为99.9-99.999％，所述第一铜板材的厚度为1-10mm，所述第二铜板材的厚度为1-10mm；优选的，所述第一铜板材的厚度与第二铜板材的厚度相同。

优选的，步骤1)中在第一铜板材上依次叠放石墨烯和第二铜板材之前需要对第一铜板材和第二铜板材进行表面处理；所述表面处理可采用酒精或丙酮进行超声清洗，此为本领域常规手段，在此不做赘述。

优选的，步骤2)中对夹层胚样沿z轴方向向下轧制，轧制温度不小于800℃，当下压形变量达到45-55％后，将夹层胚样分成两部分，上下堆叠后再次轧制，以此作为一个循环工序，循环次数为5-10次。可选的，轧制温度为800-1000℃。

优选的，步骤3)中退火温度为500-800℃，退火时间为2-5h。

优选的，步骤3)中还包括对冷却后得到的材料进行挤压、拉丝的步骤。可选的，所述挤压步骤可将冷却后的材料挤压制备成直径在9.5mm量级的圆柱，所述拉丝步骤可经过6-10次冷拉拔工艺将圆柱材料直径拉拔至3.5mm，长1m以上。

本发明还提供一种石墨烯铜基复合材料，由上述所述的制备方法制备得到。