[发明专利]一种稀土改性石墨烯铜基复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于材料领域的石墨烯铜基复合材料的改性领域，具体是一种稀土改性石墨烯铜基复合材料及其制备方法和应用。制备方法的具体步骤包括：将石墨、有机胺和醇类物质球磨后在不同的离心区间进行分离，将所得产物分散到醇类物质中得到分散液，然后与铜盐发生铜镜反应并还原制备石墨烯铜基复合材料，与稀土氧化物混合球磨得到混合粉末，最后进行放电等离子烧结，即得稀土改性石墨烯铜基复合材料。本发明提出通过构建均匀稳定的石墨烯‑胺盐‑铜离子体系来制备石墨烯铜基复合材料，解决石墨烯与铜之间界面结合性较差的问题；提出利用稀土氧化物弥散强化铜基复合材料的设计与制备，在不明显降低导电性的同时可以大大提高其机械强度。

技术领域

本发明属于材料领域，具体涉及石墨烯铜基复合材料的改性领域，特别是一种稀土改性 石墨烯铜基复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

高强高导铜合金是指同时具有高强度和高导电的一类铜合金材料，广泛应用于电力、电 子、汽车、家电、航空航天、军工及核能等领域。近年来，随着铁路电气化的高速发展，铁 路运输一再提速，对于电气化铁路用接触线性能要求越来越高。尤其是面向新一代时速400km 高铁用铜基材料接触线需要在导电率、机械强度、耐磨耗性能、耐腐蚀性等诸多方面进一步 改良。因此，发展高强度高导电的铜基复合材料已成为铜基新材料研究的新热点。在铜基复 合材料体系中，增强体的选择是影响电导率最重要的因素。碳因其化合价能形成不同的同素 异形体，包括一维的碳纳米管，二维的石墨烯，三维的富勒烯、以及石墨、碳纤维、金刚石 等，这些碳纳米材料，尤其是碳纳米管和石墨烯，因其优异的本征性能，有望作为增强体实 现铜基复合材料超高导电性能。此外，稀土元素被称为“工业味精”，稀土掺杂可细化铜颗 粒粒径、增韧增强，有效改善铜金属材料的显微组织和结构缺陷，提高铜基材料的机械强度 和抗腐蚀性等。

稀土改性石墨烯铜基复合材料是通过在铜中加入石墨烯和稀土元素来提高其机械强度和 抗腐蚀性而又不降低其导电导热性的复合材料，能够极大限度降低接触线与机车受电弓滑板 滑动接触传输电流产生的损耗，可广泛用于高速电气化铁路领域。

纯铜的导电性能很好，但机械强度较低。长期以来，在铜接触线方面，一直存在高强度 和高导电率之间的矛盾。人们在解决高强度和高导电率这对矛盾时，大都是在尽可能少的降 低铜导线导电率的前提下，采用固溶强化、变形强化或沉淀强化来提高铜材强度。例如，高 速轨道用接触导线一般添加一些高熔点、高硬度、低固溶度的金属，借助合金质点的纤维状 排列来提高铜线材的强度和耐磨性。目前，世界各国高速电气化铁路均采用铜合金材料接触 线。日本最初在时速210km的新干线上采用纯铜材料，由于耐磨性能差，运行两年左右就要 换线，经过研究试验决定采用耐磨性能较好的铜锡材料接触线；法国在时速350km及以上的 高速铁路上采用铜锡材料接触线和铜镁材料接触线；德国、西班牙在时速250-300km采用铜 银材料接触线，在时速300km以上采用铜镁材料接触线。

虽然我国在高速列车建设方面起步较晚，电力机车接触线制造技术相对落后，但是随着 近些年我国高速电气化铁路建设迅猛发展，在高性能铜基接触线方面的研究取得可喜的成绩。 自2003年起，我国自主创新的“上引连续挤压冷加工成型技术”应用于铜银合金材料接触线 生产，已在电气化铁路中推广15000km以上，可适用于时速250-300km的高速电气化铁路； 随后，进一步发展了铜镁合金接触线，其机械强度更高，并且仍保有较高的导电率，可适用 于时速350km的高速电气化铁路。上述产品性能大大高于现行的铁道行业标准TB/T2809-2005 《电气化铁道用铜及铜合金接触线》，优于国外同类产品水平，为我国高速电气化铁路发展 提供了更好地条件。近年来，随着铁路电气化的高速发展，铁路运输一再提速，对于电气化 铁路用接触线性能要求越来越高。尤其是面向新一代400km高铁用铜基材料接触线需要在导 电率、机械强度、耐磨耗性能、耐腐蚀性等诸多方面进一步改良。因此，发展新型高端铜基 复合材料技术逐渐成为铜基新材料研究的新热点。

发明内容