石墨烯增强铜复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及石墨烯的技术领域，尤其涉及一种石墨烯增强铜复合材料的制备方法。一种通过化学气相沉积法在金属铜粉末表面均匀生长石墨烯的方法，以达成铜表面紧密附生均匀的寡层石墨烯纳米片，提升铜的力学性能且不降低导电性能的目的，通过给雾化铜粉颗粒包覆寡层石墨烯来增加合金的力学强度，与此同时还能保证该复合材料的高导电性；通过CVD法在雾化铜粉末表面直接生长石墨烯，可避免机械复合法带来到的破坏原材料结构的弊端，有效且均匀的包覆在铜粒子表面；可生成高品质、与金属结合紧密的寡层石墨烯，且操作简便，易于放大产业化。

Preparation of graphene reinforced copper composite

【技术实现步骤摘要】
石墨烯增强铜复合材料的制备方法
本专利技术涉及一种，尤其涉及一种石墨烯增强铜复合材料的制备方法。
技术介绍
铜作为一种基础金属，是全球使用最广泛、最重要的金属之一。铜金属具有优良的延展性、导热性、导电性和较强的耐腐蚀、抗有机酸及碱的特性，且其导电性与导热性均仅次于银，位列所有金属第二位，由于属性优良，以及可加工性能，铜被广泛应用于电力、建筑、家电、交通运输等行业。据统计，2018年全球精炼铜产量达到2416万吨。中国更是其最大的精炼铜生产国，可达到741万吨每年，如此大的生产量使铜的应用以及各方面优化都成为热门的研究。纯铜自身存在力学性能偏低，尤其是耐磨性能较差的缺点，严重限制了铜材料的应用范围。为提高铜基材料的综合性能，目前采用的方法主要包括微量金属元素的合金化和刚性材料混杂增强技术。近年来，在铜粉中添加微量其它金属粉末和外加剂，采用热压烧结法制备颗粒增强铜基合金材料成为比较热门的方法之一，但如何更进一步的提高铜基合金材料的力学性能还处于研究阶段。石墨烯是已知强度最高的材料之一。石墨烯的理论杨氏模量高达1.02TPa，抗拉强度高达130GPa，少层或单层石墨烯具有很好的韧性。除超高的力学性能外，石墨烯还具有高达5150W/(m·K)的热导率和达15000cm2/(V·s)的载流子迁移率，是目前世上电阻率最小的材料(Measurementoftheelasticpropertiesandintrinsicstrengthofmonolayergrapheme．Science,2008，321(5887):385-388)。石墨烯特性可以使其提高铜基石墨烯复合材料的力学性能、导热性能和耐磨性能。东华大学的周千广、彭倚天等人公开了铜/石墨烯复合材料的制备及性能研究（铜/石墨烯复合材料的制备及性能研究.热加工工艺，2019，48(4):108-116.）通过对石墨进行预氧化或深度氧化处理，获得的氧化石墨用去离子水进行稀释，然后超声2h。氧化石墨烯进行敏化和活化处理，处理后洗至中性。活化的氧化石墨烯加入到化学镀铜溶液中超声还原，得到铜/石墨烯纳米复合材料。但该方法存在明显不足：氧化石墨烯的合成工艺较复杂且反应条件较苛刻，产生大量的废酸等废液，造成安全或环保问题。东莞市莞信企业管理咨询有限公司的刘丽蓉公布了一种铜/石墨烯复合多层散热膜（专利号：CN105624747A），该专利是使用在金属基体上依次镀上石墨烯薄膜与铜，然后融去金属基体得到自撑的石墨烯铜复合材料。该方法存在一些明显的不足：石墨烯薄膜不能均匀的包覆在铜粒子表面，使得石墨烯薄膜强大的力学性能不能充分的发挥出来。上海和伍新材料科技有限公司的陈乐生等人公开了一种石墨烯/铜复合材料及其制备方法（专利号：CN104711443A），通过将湿法高速球磨的方式将石墨烯薄片从石墨中剥离出来并且得到石墨烯/铜的混合粉，然后使用冶金，热挤压，轧制等技术得到石墨烯铜的复合材料。但该方法存在一些明显的不足：球磨的过程容易使石墨烯结构的完整性遭到破坏，从而削弱石墨烯的强化作用，且石墨烯的分散效果并不明显。聊城大学的贾正锋等人公布了一种制备铜/石墨烯复合材料的方法（专利号：CN105714141A），该方法是将石墨烯纳米粉加入到铜粉当中经真空球磨进行球磨，然后将球磨过后的粉体经过真空热压烧结得到石墨烯铜复合材料。但该方法存在一些明显的不足：长时间的球磨会产生大量的能耗，而磨损的钢球会造成对石墨烯的金属离子污染，进而影响铜合金。武汉大学化学与分子科学学院的郑舒婷等人公开了一种通过化学气相沉积法使得石墨烯单晶在液态金属中快速增长的方法（Insightintotherapidgrowthofgraphenesinglecrystalsonliquidmetalviachemicalvapordeposition.ScienceChinaMaterials.(2019).https://doi.org/10.1007/s40843-019-9406-7）。该文中使用CVD生长的石墨烯，使用耐高温金属箔片用来形成液体自力衬底，将铜箔片直接放在衬底箔片上，然后使用高温将固体铜箔熔化成液态，通入低量CH4形成碳源以生长石墨烯，待降到常温后，再将铜/石墨烯复合材料从衬底箔片上转移。该方法是制备超高品质石墨烯的较前沿的方法。但该方法采用了较为复杂的技术路线，且该方法无法满足大规模石墨烯/铜复合材料的制备。中国科学院上海微系统与信息技术研究所的李铁、王文荣等人公布了一种基于电镀铜衬底制备大面积石墨烯薄膜的方法（中国专利号：CN102212794A）。该方法介绍了在硅片上制备图形化电镀铜衬底；利用常压化学气相沉积的方法在800~1000℃的温度下，利用甲烷为碳源，氩气和氢气为载气，生长3~5分钟，从而在电镀铜上生成石墨烯的方法。不足之处在于该方法只能在铜材表面形成石墨烯，对于材料的力学强度提升不大。现有技术的缺点：石墨烯包覆不均匀：粉末冶金法制备铜/石墨烯复合材料时，传统的办法是使用球磨或机械搅拌等物理混粉工艺，难以使石墨烯均匀包覆在铜粉颗粒的表面。对力学性能提升作用有限：现有文献和专利成果来看，受衬底材料的影响与限制，未见在已强化的雾化铜合金粉颗粒表面生长石墨烯来继续提高力学强度的报道。传统铜合金材料存在难以同时具备高力学强度和高导电性的问题：面对一些同时要求高力学性能和高导电性能的铜合金材料的特殊使用要求时，具有较高力学强度的雾化铜合金因其相对较低的导电率往往不能满足该种类应用。
技术实现思路
本专利技术旨在解决的技术问题是：开发使用化学气相沉积(CVD)技术在雾化铜合金粉末表面生长石墨烯制备铜/石墨烯复合材料技术，提高铜基合金材料的力学性能；克服高能球磨法制备铜/石墨烯复合材料时，对石墨烯与铜合金自身的结构造成的损失与破坏。本专利技术中使用化学气相沉积法(CVD)在铜合金表面直接生长石墨烯以达到均匀的包覆效果，同时避免了对原材料结构破坏；传统铜基合金材料在加强力学性能的同时，该合金的导电性会大幅下降。本专利技术使铜合金的表面均匀的生长的石墨烯具有与铜相当的导电率(7.2×107S/m)，可以在提高铜基合金材料力学强度的同时不降低导电性，以此满足某些应用对高导电的需求。为了克服
技术介绍
中存在的缺陷，以粉末冶金与化学气相沉积法相结合，在雾化铜合金粉末表面均匀生长石墨烯制备铜/石墨烯复合的技术，目的在于提高现有的雾化铜合金材料的力学强度，解决该种铜合金力学强化制备时导致的导电率下降的问题，同时解决铜/石墨烯复合材料生产过程中存在的污染环境、工艺过程复杂等不足。具体地，使用现在较为常用的CVD法，使用雾化铜粉为基底，在表面直接生长石墨烯薄膜制备铜/石墨烯复合材料，有效的避免石墨烯与铜合金分散不均匀等问题。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：这种石墨烯增强铜复合材料的制备方法包括：第一步，雾化铜合金粉颗粒表面石墨烯生长工艺：a、称取1～6份的雾化铜合金粉末置于高纯方舟内；b、将方舟置本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯增强铜复合材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括：/n第一步，雾化铜合金粉颗粒表面石墨烯生长工艺：/na、称取1～6份的雾化铜合金粉末置于高纯方舟内；/nb、将方舟置于高温管式炉的石英管中部高温区内，抽出石英管内的空气，然后通入氩气Ar，气体流量为200～400 sccm，并将管式炉加热至生长温度900～1000 ℃，升温速率为10～30 ℃/min；/nc、升温至生长温度后保温，然后通入氢气H

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯增强铜复合材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括：
第一步，雾化铜合金粉颗粒表面石墨烯生长工艺：
a、称取1～6份的雾化铜合金粉末置于高纯方舟内；
b、将方舟置于高温管式炉的石英管中部高温区内，抽出石英管内的空气，然后通入氩气Ar，气体流量为200～400sccm，并将管式炉加热至生长温度900～1000℃，升温速率为10～30℃/min；
c、升温至生长温度后保温，然后通入氢气H2，流量为10~45sccm，氧化还原20~40min；
d、氧化还原结束后在石英管中同时引入流量为5～150sccm的甲烷CH4和流量为5～150sccm的氢气H2进行石墨烯的生长，生长时间1～20min；
e、生长结束后停止通入甲烷CH4与氢气H2，同时停止对管式炉加热，管式炉自然冷却至200℃后开盖迅速降温至室温，降温速率为20～200℃/min，得到石墨烯均匀包覆的铜合金复合粉末颗粒；
第二步，复合粉末成型工艺：
a、将第一步中e步骤得到的复合粉末颗粒装入硬质合金模具中，在200～300MPa压力下预压成型，得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：温天宇，刘芳芳，胡智峰，张志博，刘婷婷，徐玮彤，唐公民，徐欢，曲波，李金来，
申请(专利权)人：江苏新奥碳纳米材料应用技术研究院有限公司，江苏江南烯元石墨烯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32