[发明专利]石墨烯金属复合丝材及其低温连续化制备方法

说明书

一种石墨烯金属复合丝材及其低温连续化制备方法，所述制备方法包括：提供金属丝；利用卷对卷沉积方式，在对卷输入端和对卷输出端之间传输金属丝，并且在金属丝传输过程中，通过等离子体增强化学气相沉积工艺在所述金属丝表面沉积石墨烯层，所述等离子体增强化学气相沉积工艺的沉积温度为700℃～850℃。上述制备方法提高形成的石墨烯金属复合丝材的性能。

技术领域

本发明涉及复合材料制备领域，尤其涉及一种石墨烯金属复合丝材及其低温连续化制备方法。

背景技术

金属具有高延展性、高导电性和高导热性等特点，广泛应用于电力、通讯等领域，然而其仍然无法满足工业界，例如电动机、变压器、风力发电机和传输线路等对高强和高导电性能导线的迫切需求，开发新型高性能的导线势在必行。

石墨烯(graphene，Gr)作为一种具有超高力学性能和导电性能的二维材料，是金属复合材料理想的增强相。现有将Cr和金属复合的制备技术主要集中在以下几个方面：(1)粉末冶金法；(2)搅拌摩擦焊；(3)压力渗透法；(4)化学气相沉积法(CVD)等。

上述技术在不同程度上存在制备成本高、工艺过程复杂、质量差、厚度有限或无法大批量工业化生产等问题。

Cu是较为常用的金属。目前，有关Gr/Cu复合丝材的制备方法主要集中在粉末冶金结合后期冷拔丝的工艺。此方法的缺点主要体现在无法确保Gr自身的高质量、Gr和Cu基体的强界面结合，以及很难实现Gr在复合丝材中的结构连续性。其次，现有的粉末冶金制备技术很难实现Gr/Cu复合丝材的大规模、连续化制备。大量研究表明，自支撑高质量的Gr才具有高的载流子迁移率，Gr中的缺陷、应变、褶皱和官能团的存在均会导致Gr自身导热性能的下降。因此，保证Gr的高质量是实现高导电复合材料的前提。而当下市场上的Gr多是以其衍生物的形式存在，包括还原氧化石墨烯(reduced graphene oxide,RGO)、石墨烯纳米片(graphene nanoplates,GNPs)和石墨烯纸(graphene paper,GP)。所以，相对高质量Gr，这些衍生物自身的导电性能已经下降较多，无法保证高的导电强化效率。与此同时，由于Gr的大的面宽比、层间强的范德瓦尔斯力、大的表面能以及和金属基体密度的较大差异，使得Gr在Cu基体中极易团聚。此时，研究者一方面对Gr进行表面改性处理，另一方面也多采用高能球磨的方法对Gr在Cu基体粉末中进行预分散，然而二者都将不可避免的引起Gr高结晶性的破坏，从而降低复合丝材的导电性能。并且，现有的复合方法均属于将增强相外加至金属基体，导致Gr和Cu基体间的界面结合通常较弱，这极大降低了Gr/Cu界面处的电子耦合作用。尽管部分研究者通过片状粉末冶金，采用固体碳源在片状Cu粉表面原位自生Gr以提高其质量及其与Cu基体间的界面结合，但所得到的Gr均一度较差，常造成导电性能的不可控。

因此，如何实现石墨烯金属复合丝材的高质量的连续化制备，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种石墨烯金属复合丝材及其低温连续化制备方法。

为了解决上述问题，本发明提供了一种石墨烯金属复合丝材的低温连续化制备方法，包括：提供金属丝；利用卷对卷沉积方式，在对卷输入端和对卷输出端之间传输金属丝，并且在金属丝传输过程中，通过等离子体增强化学气相沉积工艺在所述金属丝表面沉积石墨烯层，所述等离子体增强化学气相沉积工艺的沉积温度为700℃～850℃。

可选的，所述金属丝的直径为10μm～500μm。

可选的，所述金属丝的材料包括铜、银或铝中的至少一种。

可选的，所述等离子体增强化学气相沉积工艺的射频功率为5W～200W，采用的沉积气体为包含C、H元素的气体，石墨烯的生长时间为30min～60min。