一种具有表面疏水性的铜合金复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有表面疏水性的铜合金复合材料的制备方法，该方法采用铜合金作为基底材料，通过清洗吹干除杂等前处理后，通过气相沉积方法在低温条件（600℃~900℃）下在铜合金表面沉积石墨烯，制备形成具有表面疏水性的石墨烯/铜合金复合材料。本发明专利技术制备得到的材料在表面实现了疏水性，石墨烯薄膜附着力好，覆盖率高，不易脱落，而且该复合材料性能稳定，疏水性持久，与其它形式的疏水涂层相比，附加热阻极小。石墨烯在材料表面自行沉积；采用铜合金，成本低廉，应用广泛，具有实际工业应用价值。

Preparation of copper alloy composite with surface hydrophobicity

【技术实现步骤摘要】
一种具有表面疏水性的铜合金复合材料的制备方法
本专利技术涉及基于铜合金和石墨烯的复合材料制备工艺，具体涉及一种具有表面疏水性的铜合金复合材料的制备方法。
技术介绍
蒸气冷凝传热过程在化工、制冷、电子、发电、动力和航天热控技术等领域具有广泛的应用背景。蒸气冷凝传热过程及换热性能的强化对节约能源、原材料以及工程费用具有重要的实用价值。工业中很多场合，要求冷凝过程在低压或真空条件下实现，比如水蒸气汽轮机凝汽器、分子精馏、材料加工、低温多效海水淡化、吸收式热泵和制冷、真空热管、石油化工等等。目前火电厂凝汽器的冷凝管主要由铜合金管和不锈钢管，船用的凝汽器冷凝管是铜合金管，如BFe10-1-1（10％镍与铜的铜镍合金）和BFe30-1-1（30％镍与铜的铜镍合金），海水淡化领域大量使用白铜和铝黄铜合金作为冷凝部件。如果能够提升冷凝管及整个冷凝系统的换热系数，就可以降低换热面积，即降低换热管的长度，从而减小冷凝设备的体积和冷凝管的用量。水蒸汽在凝结过程中可以呈现两种冷凝形态即膜状冷凝和滴状冷凝。水蒸汽在固体表面的冷凝形态取决于固体表面的润湿性，如果冷凝壁亲水性强，则蒸汽冷凝后会在冷凝壁表面形成液膜附着在冷凝壁表面，液膜层厚度决定了膜状凝结传热性能的好坏。如果冷凝壁疏水性强，则凝结液在壁面不易铺展成膜，而是形成许多随机分布，大小不一的液滴，这时凝结呈滴状冷凝形态。在这种情况下，冷凝放出的汽化潜热能够直接传递给壁面，因此，同样条件下，滴状冷凝的传热系数是相应膜状冷凝传热系数的几倍至十几倍。世界上许多传热研究单位为滴状冷凝研究及工业化应用做了大量工作。以往研究实现滴状冷凝主要有以下几种方法：镀贵金属、添加有机促进剂、在金属表面涂覆有机涂层、分子自组装单层膜、离子束动态混合注入、化学气相沉积等。比如公开日为1992年8月12日公开号为CN1063548和公开日为1992年8月26日公开号为CN1063907的中国专利文献公开了在铜管上通过磁控溅射镀铬，但其工艺操作复杂，成本高昂，镀层持久性差；公开日为2015年12月2日，公开号为CN105121036A的中国专利文献利用iCVD在金属基材上沉积极薄聚合膜，需要额外加入引发剂，成本较高，且有机聚合物膜本身有较大的热阻；公开日为2017年5月17日公开号为CN106676675A的中国专利文献公开了在紫铜表面通过静电吸引涂覆离子液体，涂层的结合力较差，离子液体的价格比较高；公开日为2013年10月23日公开号为CN103359684A的专利通过在金属表面电解刻蚀微纳栅线实现滴状冷凝，刻蚀的栅线容易被污垢覆盖，持久性差，制备方法较为复杂，可控性差；公开日为1988年1月6日公开号为CN86104466的中国专利文献通过在铜合金表面离子镀自钝化元素，然后离子注入N、F、H等离子的方法实现了滴状冷凝，其制备工艺条件苛刻，不易实现工业化生产。上述方法各有优缺点，目前都还未实现大规模应用，在现今的工业应用中，主要还是以膜状冷凝为主。寻找经济的、能在工业条件下长期维持滴状冷凝的表面材料及有效的表面处理技术变得至关重要。石墨烯具有许多优异的性能，比如高强度、高热导率及疏水性，利用石墨烯薄膜的疏水、超薄及高热导特性，可将石墨烯包覆在铜合金表面，显著提高铜合金管疏水性，推进表面实现蒸气滴状冷凝，同时因石墨烯薄膜厚度仅为几个原子层的厚度且热导率高，包覆在铜合金表面带来的额外附加热阻极小，因而结合疏水性可大幅提升冷凝效果。因此需要研发一种能实现表面疏水性的石墨烯和铜合金的复合结构，进而提升蒸气冷凝换热效果，同时解决了铜合金冷凝器件上低温沉积石墨烯的技术难题。
技术实现思路
本专利技术为解决上述技术问题，提供了一种具有表面疏水性的铜合金复合材料的制备方法，是利用铜合金/石墨烯结构增强铜合金表面的疏水性且在900℃以下在铜合金表面沉积石墨烯，降低热处理温度对不铜合金力学性能的影响。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种具有表面疏水性的铜合金复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：（一）铜合金的前处理：用清洗液体清洗铜合金表面并吹干，接着再用去离子水清洗铜合金表面并吹干；用酸性液体进行化学除杂，接着再用去离子水清洗并吹干；用清洗液体清洗铜合金表面并吹干；作为基底的铜合金采用白铜，或者黄铜。（二）表面沉积石墨烯：将前处理完成后的铜合金放入气相沉积管式炉中，将气相沉积管式炉的反应室抽真空到0.1Pa~0.5Pa，再通入氢气，压力为1Pa~101kPa，加热使温度升高到600℃~900℃，加热的升温速率为10℃/min~20℃/min，并在该温度下保持15min~60min；接着通入甲烷，同时打开等离子体设备控制其功率为10W~100W，再保持600℃~900℃，持续15min~60min，在铜合金表面进行石墨烯的化学气相沉积，完成后快速降低温度到室温，关闭所有气体取出铜合金，即完成制备。所述铜合金的牌号为BFE10-1-1，BFE30-1-1，B10，B19，BMN3-12，BMN40-1-5，H96，H90，H80，H70，H65，H62，HAL77-2，HAL77-2A其中的一种。所述铜合金可以是铜合金片、铜合金管、铜合金粉体、或者铜合金块体等材料。所述清洗液体为乙醇、乙醇、异丙醇、水中的一种或多种任意比例的混合液体。清洗过程包括冲洗和超声波振动。用酸性液体对铜合金材料进行化学除杂前先用乙醇超声清洗合金材料5min~20min，除杂完成后使用去离子水或者超纯水清洗5min~20min。用清洗液体清洗铜合金表面并吹干是将铜合金在乙醇中超声3min~20min，然后吹干，吹干使用的气体为氮气或者氩气。进一步的，所述酸性液体为盐酸、硫酸、乙酸中一种或两种以上的混合液体，浓度为0.1mol/L~2mol/L，除杂时间为1min~30min。所述氢气为纯氢气，或者为氢气和氩气的混合气，通入流量为0.5~500sccm。所述含碳气体为碳原子在1~10区间内的烷烃、烯烃、炔烃和芳烃中一种或任意比例的多种，通入流量为0.5~200sccm。沉积过程中，沉积温度600℃~900℃，沉积时间为1min~120min；所述快速降低温度的降温速率为50℃/min~300℃/min。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1、在石墨烯/铜合金结构表面实现了疏水性，石墨烯薄膜附着力好，性能稳定，疏水性持久。石墨烯在材料表面自行沉积，覆盖率高，不易脱落。2、石墨烯薄膜厚度为0.35-5nm，且热导率高，与其它形式的疏水涂层相比，带来的附加热阻极小。3、使用的铜合金为工业级铜合金，成本低廉，应用广泛，具有实际工业应用价值。4、本专利技术在铜合金表面沉积石墨烯的温度较低(在900℃以下)，对铜合金的机械性能(拉伸强度、弹性模量、伸长率)影响较小，满足工业换热、冷却器材的选材标准。附图说明图1是实施例1中得到的材料的表面拉曼光谱数据示意图。图2是实施例1中得到的材料的接触角测试数据示意图。...

【技术保护点】
1.一种具有表面疏水性的铜合金复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：/n（一）铜合金的前处理：用清洗液体清洗铜合金表面并吹干，接着再用去离子水清洗铜合金表面并吹干；用酸性液体进行化学除杂，接着再用去离子水清洗并吹干；用清洗液体清洗铜合金表面并吹干；/n（二）表面沉积石墨烯：将前处理完成后的铜合金放入气相沉积管式炉中，将气相沉积管式炉的反应室抽真空到0.1 Pa ~0.5 Pa，再通入氢气，压力为1 Pa~101 kPa，加热使温度升高到600℃~900 ℃，加热的升温速率为10℃/min ~ 20℃/min，并在该温度下保持15 min~60 min；接着通入甲烷，同时打开等离子体设备控制其功率为10 W ~100 W，再保持600℃~900℃，持续15 min ~60 min，在铜合金表面进行石墨烯的化学气相沉积，完成后快速降低温度到室温，关闭所有气体取出铜合金，即完成制备。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有表面疏水性的铜合金复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：
（一）铜合金的前处理：用清洗液体清洗铜合金表面并吹干，接着再用去离子水清洗铜合金表面并吹干；用酸性液体进行化学除杂，接着再用去离子水清洗并吹干；用清洗液体清洗铜合金表面并吹干；
（二）表面沉积石墨烯：将前处理完成后的铜合金放入气相沉积管式炉中，将气相沉积管式炉的反应室抽真空到0.1Pa~0.5Pa，再通入氢气，压力为1Pa~101kPa，加热使温度升高到600℃~900℃，加热的升温速率为10℃/min~20℃/min，并在该温度下保持15min~60min；接着通入甲烷，同时打开等离子体设备控制其功率为10W~100W，再保持600℃~900℃，持续15min~60min，在铜合金表面进行石墨烯的化学气相沉积，完成后快速降低温度到室温，关闭所有气体取出铜合金，即完成制备。


2.根据权利要求1所述的具有表面疏水性的铜合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述作为基底的铜合金采用白铜，或者黄铜。


3.根据权利要求1所述的具有表面疏水性的铜合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述铜合金的牌号为BFE10-1-1，BFE30-1-1，B10，B19，BMN3-12，BMN40-1-5，H96，H90，H80，H70，H65，H62，HAL77-2，HAL77-2A其中的一种。


4.根据权利要求1或3所述的具有表面疏水性的铜合金复合材料的制备方法，其特征在于：所述铜合金的形状为片状，或者管状，或者块状，或者粉体。


5.根据权利要求1所述的具有表面疏水性的铜...

【专利技术属性】
技术研发人员：张中伟，杨大帅，何坪，
申请(专利权)人：中国东方电气集团有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51