[发明专利]一种石墨烯包覆铜粉颗粒增强冷喷涂铜基复合涂层的制备方法

说明书

一种石墨烯包覆铜粉颗粒增强冷喷涂铜基复合涂层的制备方法，涉及一种铜基复合涂层的制备方法。本发明公开了一种石墨烯包覆铜粉颗粒增强冷喷涂铜基复合涂层的制备方法，通过PECVD技术，在铜粉颗粒表面原位生长出石墨烯，获得石墨烯包覆的铜粉颗粒，使用优化的低能球磨工艺，获得了石墨烯包覆铜粉颗粒均匀分布的铜复合粉末，避免了石墨烯团聚引起的组织缺陷，并基于冷喷涂技术的低温工艺和极快的沉积速率，可以提高涂层与基体的结合强度和涂层内部的组织均匀性，有利于获得优异热、电、机械性能和耐磨损性能的石墨烯包覆铜粉颗粒增强铜基复合涂层。

技术领域

本发明涉及一种铜基复合涂层的制备方法。

背景技术

导电涂层广泛应用于建筑、运输、制造、采矿、教育、军事、航天等领域中，纯铜涂层具有优异的导电性和导热性，但其硬度和耐磨性较差，纯铜涂层容易在一些极端服役条件下发生严重磨损，甚至碎裂，从而造成严重的安全隐患和经济、人员损失。

石墨烯是碳的二维同素异形体，由1-s和2-p轨道杂化产生，形成六边形碳环。在石墨烯中，每个碳原子在经sp²杂化后都具有一个自由电子，这些电子出现在π轨道中。π轨道有助于使电子网络离位，并使高载流子(电子)浓度与大载流子迁移率在室温下耦合。石墨烯的这些独特特性使载流子的局部传导达到近微米尺度，使其成为提高金属热电性能的理想添加剂。铜涂层在经石墨烯增强后其机械性能、热电性能以及耐磨损性能都会有明显的提升，但因为石墨烯比表面积大且表面能高，易发生团聚，不利于均匀地分散在铜基体中。传统的在铜表面包覆石墨烯的方法有机械球磨法和化学生长法等，机械球磨法包覆均匀性较差、耗时长且石墨烯与铜颗粒间的结合强度低，球磨后石墨烯易与铜颗粒分离，化学生长法需要使用多种化学试剂，操作复杂且易造成环境污染。

常规的石墨烯增强铜基复合涂层制备方法有热喷涂、激光熔覆和化学气相沉积等，这些方法中，热喷涂和激光熔覆的工艺温度极高，极易对待加工基体造成严重热损伤，所形成的涂层也存在较高的热应力，涂层存在裂纹、空隙等缺陷；化学气相沉积制备的涂层厚度有限，通常在几十微米以下，涂层沉积速率也相对较慢，且同时沉积石墨烯和铜的复合膜层工艺较复杂。

发明内容

本发明为了解决上述现有技术存在的不足，公开了一种石墨烯包覆铜粉颗粒增强冷喷涂铜基复合涂层的制备方法，创新性地引入了PECVD技术，在铜粉颗粒表面原位生长出石墨烯，获得石墨烯包覆的铜粉颗粒，使用优化的低能球磨工艺，获得了石墨烯包覆铜粉颗粒均匀分布的铜复合粉末，避免了石墨烯团聚引起的组织缺陷，并基于冷喷涂技术的低温工艺和极快的沉积速率，可以提高涂层与基体的结合强度和涂层内部的组织均匀性，有利于获得优异热、电、机械性能和耐磨损性能的石墨烯包覆铜粉颗粒增强铜基复合涂层。

本发明石墨烯包覆铜粉颗粒增强冷喷涂铜基复合涂层的制备方法按以下步骤进行：

步骤一、在甲烷气氛中，采用等离子体增强化学气相沉积的方法，在铜粉末表面原位生长出石墨烯层，获得石墨烯包覆铜粉颗粒；

步骤二、利用球磨机将石墨烯包覆铜粉颗粒和铜粉末进行低能球磨，使石墨烯包覆铜粉颗粒均匀分布在铜粉末中，得到混合粉末；所述铜粉末和石墨烯包覆铜粉颗粒的质量比为1～3:1；

步骤三、采用冷喷涂将步骤二中获得的混合粉末喷涂在基材上，获得石墨烯包覆铜粉颗粒增强铜基复合涂层。

本发明原理和有益效果：

1、本发明采用PECVD法和低能球磨相结合的方式，获得石墨烯包覆的铜粉颗粒，能有效提高石墨烯与铜粉结合强度，且使石墨烯能均匀分布在铜粉末中，石墨烯与铜颗粒结合效果好且不易团聚，有利于制备出兼具优异热、电、机械性能和耐磨损性能的石墨烯包覆铜粉颗粒增强铜基复合涂层。