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CN103614583B - 一种新型高导电率、高强度石墨烯/铜材料及其制备方法 - Google Patents

一种新型高导电率、高强度石墨烯/铜材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型高导电率、高强度石墨烯/铜材料的制备方法，其特征在于：所述材料的成分的质量百分比表示如下：石墨烯态的C：1.0％～1.5％，其余量为Cu和不可避免杂质。本发明用机械球磨的方法得到石墨烯/铜混合粉末，再利用爆炸烧结混合粉末，使得混合粉末在爆炸瞬间碰撞、挤压、摩擦、焊接在一起，形成了致密的复合材料，并保持了石墨烯原有的优良性能，使得该复合材料具有比纯铜更高的强度和导电率，是一种优良的高强度导电材料。

Description

一种新型高导电率、高强度石墨烯/铜材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种新型高导电率型高导电率、高强度石墨烯/铜材料及其制备方法，属于金属复合材料领域。
背景技术
在过去几年，石墨烯复合材料已经吸引了科研界很大的关注，这是因为其具有非常优良的性能，譬如很高的机械强度、电气性能和热导率和光透射率。现在研究人员已经找到了制造单层和多层石墨烯和少量的氧化石墨烯的方法，这将导致石墨烯复合材料大量应用的涌现。
日前，在石墨烯复合材料领域，关于石墨烯/金属复合材料的研究成果较少，这可能是因为，石墨烯和金属基质容易在界面发生化学反应。韩国科学技术院的研究团队使用化学气相沉积(CVD)在金属沉积衬底上生长出单层石墨烯，然后再沉积上金属单层，反复操作后，最终得到石墨烯/金属多层结构的复合材料。通过透射电镜、分子动力学模拟等微观压缩试验显示，石墨烯/镍多层材料的晶面间距为100nm，拉伸强度是纯镍的180倍(4.0GPa)，晶面间距与材料强度之间存在显著关联。相关研究结果已发布在NatureCommunications期刊上。
但是上述制备方法停留在分子层面上，难以大规模制备石墨烯/金属基复合材料；而如果采用普通烧结的方法，石墨烯和金属基质在界面易发生化学反应，使得石墨烯失去了其优良性能。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种新型高导电率、高强度石墨烯/铜基材料及其制备方法。该制备方法可以避免高的烧结温度，使得石墨烯在金属基体中保持原有的优良性能。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种新型高导电率、高强度石墨烯铜基材料，所述材料成分的质量百分比表示如下：石墨烯态C：1.0％～1.5％，其余量为Cu和不可避免杂质。
其制备方法为：
(1)将粒度为200目、纯度为99.99％的铜粉和厚度为5碳原子厚度、直径为20nm的石墨烯粉按照上述比例混合；
(2)将步骤(1)中混合好的粉末放入球磨机中，进行高能球磨，球料比为10∶1，转速为300r/min，在氩气保护环境下球磨20h，使粉末中各类粒子在被撞击、挤压的过程中，变形、破碎、复合，随着球磨时间的增加，在细化晶粒的同时，相互包围，产生非平衡合金相，形成过饱和固溶体；
(3)将球磨后的混合粉末(5)装入直径20mm的钢筒(4)中，略微压实后达到理论密度的50％，并密封筒口，外层用乳化炸药(3)包裹，置于塑料药筒(2)中，并在顶端插入雷管(1)，点燃雷管(1)，从顶端引爆炸药后，产生自上而下以爆速传播的柱面聚合激波，压力可以达到6.77GPa，混合粉末(5)间剧烈碰撞、挤压、摩擦，包裹着颗粒表面熔化焊接在一起，形成了致密的复合材料；
(4)后续扩散烧结：将爆炸烧结后的复合材料再次进行980℃的固相烧结，时间为1h，进一步提高压实体的密度，从而制得所需的新型高导电率、高强度石墨烯/铜材料。
本发明有益效果：本发明最大的特点是生产一种新型高导电率、高强度石墨烯铜基材料，并提供了一种全新的制备方法，该材料具有较高的导电率和强度。
附图说明
图1为该材料爆炸烧结环节安装示意图。
具体实施方式
实施例1：
(1)将粒度为200目、纯度为99.99％的铜粉和厚度为5碳原子厚度、直径为20nm的石墨烯粉按照上述比例混合；
(2)将步骤(1)中混合好的粉末放入球磨机中，进行高能球磨，球料比为10∶1，转速为300r/min，在氩气保护环境下球磨20h，使粉末中各类粒子在被撞击、挤压的过程中，变形、破碎、复合，随着球磨时间的增加，在细化晶粒的同时，相互包围，产生非平衡合金相，形成过饱和固溶体；
(3)将球磨后的混合粉末(5)装入直径20mm的钢筒(4)中，略微压实后达到理论密度的50％，并密封筒口，外层用乳化炸药(3)包裹，置于塑料药筒(2)中，并在顶端插入雷管(1)，点燃雷管(1)，从顶端引爆炸药后，产生自上而下以爆速传播的柱面聚合激波，压力可以达到6.77GPa，混合粉末(5)间剧烈碰撞、挤压、摩擦，包裹著颗粒表面熔化焊接在一起，形成了致密的复合材料；
(4)后续扩散烧结：将爆炸烧结后的复合材料再次进行980℃的固相烧结，时间为1h，进一步提高压实体的密度，从而制得所需的新型高导电率、高强度石墨烯/铜材料。
经检验，该复合材料的导电率为无氧铜的115％，常温下抗拉强度达到了326MPa，是一种优良的高强度导电材料。

Claims (1)

1.一种新型高导电率、高强度石墨烯/铜材料制备方法，其特征在于所述材料的成分的质量百分比表示如下：石墨烯态C：1.0％～1.5％，其余量为Cu和不可避免杂质，其制备方法包括以下内容：
(1)将粒度为200目、纯度为99.99％的铜粉和厚度为5碳原子厚度、直径为20nm的石墨烯粉按照上述比例混合；
(2)将步骤(1)中混合好的粉末放入球磨机中，进行高能球磨，球料比为10∶1，转速为300r/min，在氩气保护环境下球磨20h，使粉末中各类粒子在被撞击、挤压的过程中，变形、破碎、复合，随着球磨时间的增加，在细化晶粒的同时，相互包围，产生非平衡合金相，形成过饱和固溶体；
(3)将球磨后的混合粉末(5)装入直径20mm的钢筒(4)中，略微压实后达到理论密度的50％，并密封筒口，外层用乳化炸药(3)包裹，置于塑料药筒(2)中，并在顶端插入雷管(1)，点燃雷管(1)，从顶端引爆炸药后，产生自上而下以爆速传播的柱面聚合激波，压力可以达到6.77GPa，混合粉末(5)间剧烈碰撞、挤压、摩擦，焊接在一起，形成了致密的复合材料；
(4)后续扩散烧结：将爆炸烧结后的复合材料再次进行980℃的固相烧结，时间为1h，进一步提高压实体的密度，从而制得所需的新型高导电率、高强度石墨烯/铜材料。
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