[发明专利]一种石墨烯增强铜基复合材料的制备方法

说明书

一种石墨烯增强铜基复合材料的制备方法，将铜粉与有机金属碳源进行混合，制备铜粉与有机金属碳源复合粉末；然后利用热压烧结法或放电等离子烧结法将上述复合粉末烧结成型，得到三维石墨烯/碳化物或氧化物共同增强的铜基复合材料。本发明方法制备的石墨烯在烧结制备过程中由铜基体原位内生，分散性好，与基体紧密结合；与此同时，原位生成的碳化物及氧化物进一步增强界面结合强度，提升材料的综合性能，且此方法简单易行，易于批量化生产，在电工材料领域、能源相关领域具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种石墨烯复合材料的制备方法。

背景技术

导电材料是电力技术最重要的基础性材料。传统铜导体是一种具有良好的导电导热性能，使用量大、应用面广的一类导电材料。但在过去一百多年里，铜的电导率仅提高了3％，且强度较低，远远不能满足目前对导体轻、柔、强、高导电、高载流等的要求。伴随着新材料技术的突飞猛进，借助于碳纳米材料的优势解决传统导体存在的瓶颈问题，成为当今新型导电材料的重要研究方向。由铜和石墨烯复合而成的铜/石墨烯复合材料具有优异的电学、热学以及力学性能，这种新型电工材料借助于石墨烯的弹道输运特性，具有优异的电流传输性能，其载流能力有望比传统铜导线高1～2个数量级。因此，目前铜/石墨烯复合材料是电工材料领域、能源相关领域研究中最受关注的材料。

目前制备铜/石墨烯复合材料的主要方法包括粉末冶金法、电化学沉积法、CVD生长法。粉末冶金法是将石墨烯粉末和铜粉混合批量制备铜/石墨烯复合材料。其中，铜与石墨烯粉末混合包括球磨混合、化学反应混合、表面处理混合等。例如，Varol等人通过将石墨烯和铜粉混合球磨、压片、烧结得到了石墨烯/铜复合材料，在石墨烯的质量分数为0.5wt％时，材料的电导率仅为78.5％IACS；Huang等人采用分子复合技术，通过化学反应形成氧化石墨烯与氧化铜的复合粉末，然后在H₂下还原成石墨烯/铜复合粉末，再经过放电等离子烧结形成块体复合材料；在石墨烯粉表面沉积一层Cu，然后将石墨烯与铜粉通过放电等离子烧结的方法复合以改善材料的力学性能。总体而言，球磨混合很难避免石墨烯的团聚，而且过程中石墨烯的结构会有不同程度的破坏，铜-碳之间只是机械结合，没有形成真正的化学键连接，对导电性增强效果不理想；利用化学的方法有利于实现Cu与石墨烯的良好结合，但是此类工艺复杂，不环保，制得的氧化石墨烯晶化程度差，缺陷多，往往需要还原处理，制得的复合材料性能也远低于预期值。电化学沉积是通过表面修饰使石墨烯均匀分散在铜电的解液中，利用电镀原理使铜与石墨烯一起沉积成膜。该方法的优点是易实现石墨烯的均匀分散，缺点是微观组织比较疏松，且受薄膜尺寸限制很难制备成其它型材。CVD是目前制备高质量石墨烯最为常用的工艺，其利用高温下气态碳源：甲烷、乙炔等，在单晶或多晶铜箔衬底表面分解后组装生成单层或多层石墨烯。这种方法制备的石墨烯可以实现大面积生长，且原位生长的石墨烯与铜基体可以自然保持良好的界面结合，有效避免界面孔洞等问题；但仅在铜箔表面生长一层或几层石墨烯然后通过叠层制备复合材料，工艺复杂，很难实现量产和应用。

发明内容

为克服现有技术的缺点，同时解决石墨烯在铜基体中易团聚以及铜碳界面结合薄弱的问题，本发明提出一种原位内生石墨烯增强铜基复合材料的制备方法。

本发明提出的原位内生石墨烯增强铜基复合材料的制备方法步骤如下：

(1)将铜粉与有机金属碳源进行混合，制备铜粉与有机金属碳源复合粉末；

(2)利用热压烧结法或放电等离子烧结法将上述复合粉末烧结成型，得到三维石墨烯/碳化物或氧化物增强的铜基复合材料。

所述有机金属碳源为包含C、H、O以及金属的有机物，包括但不限于双硬脂酸铝、硬脂酸镁、硬脂酸钙、硬脂酸锌、异丙醇铝、异丙醇钨、异丙醇镧、异丙醇钇、乙醇铌、钛酸四丁酯、乙酸镧、乳酸锌、乙酸锌、乙酰丙酮铬、葡萄糖酸锌。

所述热压烧结过程具体为，在真空或氩气环境下，烧结温度700℃～1000℃，烧结压力20～500MPa，保温保压时间为1min～6h。