[发明专利]一种高强高导石墨烯增强铜基复合材料及制备方法与应用

说明书

本发明涉及复合材料制备技术领域，具体涉及一种高强高导石墨烯增强铜基复合材料及制备方法与应用。本发明采用球形铜粉末为基体材料，石墨烯作为增强相，通过石墨烯液相分散、球磨预分散、表面包覆、热等静压、热挤压等步骤，制备出接近全致密、导电性能好、抗拉强度高，硬度高及延伸率高的高强高导石墨烯增强铜基复合材料。该方法工艺可控性好，易于规模化生产，制得的高强高导石墨烯增强铜基复合材料组织均匀，石墨烯与基体界面结合良好，性能稳定，在汽车、航空航天和电子领域中具有巨大的应用前景。

技术领域

本发明涉及复合材料制备技术领域，具体涉及一种高强高导石墨烯增强铜基复合材料及制备方法与应用。

背景技术

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子构成的单层片状结构新材料。2004年英国科学家首次成功制备出石墨烯薄片，其内部碳原子均以结合强度极高的σ键结合，同时每个碳原子又可以提供一个未成键的自由电子。这种独特的结构决定了其具有高强度和良好的导电性，其强度高达130GPa，载流子迁移率为15000cm²/(Vs)，二者均为目前已知材料之最。不但如此，石墨烯还具有很高的比表面积和热导率，以及分子、量子、隧道效应等独特性质。

铜基复合材料因为良好的导电导热和加工性能使其在汽车、航空航天和电子领域具有广泛的应用前景。随着这些领域的快速发展，对铜基复合材料的要求越来越高，传统的纤维和颗粒增强体虽然可以提高材料的力学性能，但往往使其导电导热性能降低。因此，研发具有优良导电导热性能同时具有高强度的铜基复合材料成为目前亟需解决的问题。

石墨烯因其高的导电导热性能和优异的力学性能被认为是理想的铜基复合材料增强体。目前，国内外关于石墨烯铜基复合材料的研究集中在石墨烯对铜基体力学性能的增强效果上，对其综合性能的关注较少，易于实现的大块体材料均未达到高强高导铜的级别。

李彬等采用球磨和烧结相结合的方法，将氧化石墨烯溶液和纳米铜粉混合，制备得到石墨烯增强铜基复合材料。实验结果表明，其压缩屈服强度仅70MPa，低于纯铜，原因可能和氧化石墨烯发生严重的团聚有关。

杨帅等以石墨和纳米铜粉为原料，通过均质机械剥离制备得到纳米铜粉和少层石墨烯复合粉体，用电火花烧结工艺制备石墨烯增强铜基复合材料。结果表明，其压缩屈服强度比铜基体高约300MPa；拉伸屈服强度比铜基体高60MPa。

公开号为CN 102385938 A的中国发明专利，提供了一种金属基石墨烯复合电接触材料的制备方法，采用0.02wt％～10wt％的石墨烯，通过化学还原结合真空熔炼法制备复合材料，使其具有更高的导电性能和耐磨性，抗熔焊能力更强。但因使用有毒有害的水合肼为还原剂，不能满足环保的要求，同时高温熔炼一定程度上破坏了石墨烯特有的结构。

公开号为CN 103952588 A的中国发明专利，提供一种高强高导石墨烯铜复合材料及其制备方法，采用水合肼还原加有氧化石墨烯的硫酸铜溶液，得到纳米铜和石墨烯，将复合粉末进行氢气还原处理后，利用等离子烧结技术制备出块体石墨烯铜复合材料。该发明中金属铜直接与石墨烯复合，制备工艺简单。但是，铜颗粒细小，极易氧化，后续氢气还原难以彻底进行。另外，由于等离子烧结设备的限制，无法实现大规格材料的制备。

公开号为CN 104711443 A的中国发明专利，提供一种石墨烯/铜复合材料及其制备方法，将铜镍合金粉与鳞片石墨共同机械球磨，借助机械力剥离出石墨烯，再通过粉末冶金、热挤压、轧制技术得到石墨烯/铜块材、丝材和带材。该发明中石墨烯与基体界面结合良好，工艺简单，过程易控，易实现规模化生产。但其制备的复合材料导电性能仅有63.84～71.84％IACS，拉伸强度为246～250MPa，达不到高强高导铜基复合材料的要求。

发明内容

为了克服现有技术的不足和缺点，本发明的首要目的在于提供一种高强高导石墨烯增强铜基复合材料的制备方法，该方法采用球形纯铜粉为基体材料，石墨烯作为增强相，通过石墨烯液相分散、球磨预分散、表面包覆、热等静压、热挤压等步骤，可控性好，易于规模化生产。