[发明专利]铜-石墨烯复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及到一种铜‑石墨烯复合材料及其制备方法，包括石墨烯和铜，其特征在于所述石墨烯以片状结构均布在铜基体中，所述石墨烯的分布密度为100片/厘米²至3000片/厘米²。优选所述石墨烯含量为0.01％～0.30wt％，余量为Cu。本发明在铜中添加石墨烯制成铜‑石墨烯复合材料，铜基体可作为导电主体使该复合材料的导电性能接近于纯铜，而石墨烯作为增强相，抗拉强度和屈服强度性能均获得提高；因此该铜‑石墨烯复合材料可广泛应用于消费电子、电气、航空航天、高铁、引线框架与电子接插件制备领域；本发明所提供的制备方法适合工业化、规模化生产。

技术领域

本发明涉及一种铜-石墨烯复合材料及其制备方法。

背景技术

随着航空航天、交通、机械工业、能源化工、通讯、电气、电力电子和国防工业等领域的飞速发展，工业界对铜或铜合金的导电性能要求越来越高。为了获得高导电的铜或铜合金材料，国内外科学界与产业界开展了广泛的研究，并已开发出铜银合金、氧化铝弥散强化铜等高导电铜合金材料与复合材料。虽然这些合金或复合材料可满足高导电的性能要求，但由于这些材料含有贵金属或制备工艺复杂，因此这些材料得不到广泛的应用。工业界对导电性能优良且制备工艺相对简单的铜合金或其复合材料的需求越来越紧迫。

石墨烯是碳原子以sp²杂化连接的单原子层构成的新型二维原子晶体，其价带与导带在费米能级相交，表现出半导体的性质而且能隙为零，载流子在费米能级处呈现出一种线性的色散关系，具有奇特的性质：强度达130GPa、热导率高达5150J/(m·K)、载流子迁移率达到1.5×104cm²·V^-1·s^-1、透明度约97.7％、比表面积理论值为2630m²/g，杨氏模量约为1100GPa。

现有的铜-石墨烯复合材料的研发，基本上都集中在导电性能的改善上，后续的成型加工性能都不理想，而这恰恰形成了铜-石墨烯复合材料的应用瓶颈；同时现有的制备方法不可避免地会带入杂质镍，影响铜-石墨烯复合材料的化学成分与微观组织，从而对其综合性能造成影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状提供一种导电性能好、力学性能优于纯铜且加工性能好的铜-石墨烯复合材料。

本发明所要解决的另一个技术问题是针对现有技术的现状提供一种导电性能好、力学性能优于纯铜且加工性能好的铜-石墨烯复合材料的制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该铜-石墨烯复合材料，包括石墨烯和铜，其特征在于所述石墨烯以片状结构均布在铜基体中，所述石墨烯的分布密度为100片/厘米²至3000片/厘米²。

所述石墨烯含量为0.01％～0.30wt％，余量为Cu。

上述铜-石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于包括下述步骤：

1)在氩气保护气氛中将粒径为450纳米～550纳米的铜粉和石墨烯进行球磨，使两者混合均匀；所述球磨时间优选为2～4小时。

2)在氩气保护下进行热压烧结，烧结压力为4吨～8吨，烧结温度为850℃～1050℃，烧结保温时间为3小时～6小时；

当压力低于4吨时，即使烧结温度超过1050℃，混合粉末经6小时以上的烧结后也无法烧结成完整的坯料，从烧结炉中取出后坯料发生碎裂。当压力大于8吨时，烧结模具容易发生碎裂。因此本发明的烧结压力取4吨～8吨。当烧结温度低于850℃时，即使采用8吨的压力，并烧结6小时以上，烧结完成后坯料发生碎裂，没有形成一个整体。当烧结温度超过1050℃时，烧结完成后坯料中铜粉颗粒发生长大形成粗大的铜颗粒，影响铜-石墨烯复合材料的微观组织。