CN104862512B - 提高铜基石墨烯复合材料中石墨烯与铜基体结合力的方法 - Google Patents
提高铜基石墨烯复合材料中石墨烯与铜基体结合力的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种提高铜基石墨烯复合材料中石墨烯与铜基体结合力的方法，该方法通过在铜基体中添加少量合金元素，与石墨烯混合后利用放电等离子烧结技术制得复合材料。实验证实该方法提高了复合材料中基体与石墨烯增强相的界面结合力，与不添加合金元素所制得的复合材料相比，具有高的抗拉伸性能。另外，经过优化所添加的合金元素的量以及石墨烯的质量，能够得到兼具优异的导电、导热以及耐磨性能的铜基石墨烯复合材料，因此具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及金属基复合材料技术领域，尤其涉及一种提高铜基石墨烯复合材料中石墨烯与铜基体结合力的方法。
背景技术
铜及铜合金材料具有良好的导电导热性能和易于成型等优点，已广泛应用于航空航天、交通、机械工业、能源化工、通讯、电气、电力电子和国防工业等领域。随着现代科学技术的发展，传统的铜及铜合金已不能满足实际应用的性能需求，通过在铜及铜合金基体中添加具备该金属基体欠缺性能的填充料，使其拥有更为优异的综合性能，能够有效地扩大铜及铜合金的应用领域。
石墨烯具有强度高、载流子迁移率高、导热性能优异、透光率高等性能，近年来受到人们的广泛关注。与碳纳米管和金刚石相比，石墨烯具有更高的导电率和热导率，是一种理想的复合材料填充料。目前，石墨烯复合材料的研究主要集中在聚合物基石墨烯复合材料领域，而对于金属基石墨烯复合材料，尤其是金属合金基石墨烯复合材料的研究较少。这主要是由于金属基石墨烯复合材料的研究面临着技术难题：石墨烯与金属基体的结合力弱；另外，还存在石墨烯在金属基体中容易发生团聚的技术难题，这两大技术难题致使目前制备的金属基石墨烯块体材料无法获得预期的优异性能。
目前改善金属和石墨烯结合力的方法主要有两种：一种方法是在石墨烯表面镀敷镍、铜、银等金属颗粒。但此方法多涉及电镀或化学镀过程，过程复杂，且不同程度地使用了有毒有害化学药品，不利于环保和安全。另一种方法是在石墨烯表面添加官能团进行表面改性。但此方法由于改变了石墨烯的表面结构，从而会削弱石墨烯的性能。
发明内容
针对上述技术现状，本发明旨在提高铜基石墨烯复合材料中基体与石墨烯增强相间的结合，从而提高该复合材料的抗拉伸性能。
为了实现上述技术目的，本发明人经过大量实验后发现，在铜基体中添加铬、钒、钛、镍、钨、锡、铌等合金元素，通过湿磨法与石墨烯复合，然后利用放电等离子烧结(SPS)技术烧结成型，得到的铜基石墨烯复合材料的抗拉伸性能得到较大改善。
即，本发明所提供的技术方案为：一种提高铜基石墨烯复合材料中石墨烯与铜基体结合力的方法，包括如下步骤：
在铜粉中添加合金粉体，机械合金化，得到铜合金粉体；
将乙醇与石墨烯混合，均匀分散后石墨烯分散液；
将铜合金粉体与石墨烯分散液球磨混合均匀，然后过滤、真空干燥，得到铜合金石墨烯复合粉体；
将铜合金石墨烯复合粉体加入石墨模具中，预压成型后放入放电等离子烧结炉中进行放电等离子烧结成型，得到铜基石墨烯复合材料。
在上述铜合金粉体与石墨烯分散液球磨的过程中，铜基体及合金由于放热可能形成 氧化铜等氧化物，作为优选，在步骤(4)之前，首先将步骤(3)制得的铜合金石墨烯复合粉体在氢气保护气氛中进行还原，还原温度优选为200～500℃。
所述的合金元素不限，包括铬、钛、钒、镍、钨、铌等元素中的一种元素或两种以上的混合元素。
所述的合金粉体的粒径优选小于5μm。
所述的铜粉粒径优选小于或等于400目。
所述的铜粉与合金粉体优选采用高能球磨进行机械合金化；作为进一步优选，所述的球料比为5:1～10:1，球磨转速为100～400r/min，球磨时间为10h～70h。
所述的石墨烯尺寸优选为5～10μm，厚度优选小于或等于10nm。
所述的石墨烯分散液的浓度优选为0.2～12g/L。
作为优选，采用超声分散石墨烯分散液，超声分散时间优选为0.5～2h。
铜合金粉体与石墨烯分散液混合时优选采用球磨混合；作为进一步优选，球料比为2:1～5:1，球磨转速为100～400r/min，球磨时间为2h～10h。
SPS烧结工艺优选在真空或者惰性气体保护环境下进行，真空度进一步优选为10-4～10-1Pa。
所述的预压压力优选为5～15MPa。
所述的SPS烧结工艺中，升温速率优选为20～150℃/min，烧结温度优选为500～900℃，压制压力优选为30～60MPa，保温时间优选为2～10min。
另外，为了该复合材料还兼具有良好的导电、导热、强度和耐磨性能，作为优选，所述的合金粉体占铜合金粉体的0.1～15at％。作为优选，所述的石墨烯占石墨烯与铜合金粉体总质量的0.01～5wt％。
综上所述，本发明通过在铜基体中添加少量合金元素，与石墨烯球磨混合后利用放电等离子烧结(SPS)技术制得铜合金基石墨烯复合材料，实验证实该铜合金基石墨烯复合材料较铜基石墨烯复合材料具有良好的抗拉伸性能，即该铜合金基体与石墨烯增强相的界面结合力提高，究其原因可能是在SPS烧结过程中添加的合金元素与碳元素形成合金元素碳化物，从而有利于增强基体与石墨烯增强相的界面结合力。另外，经过优化所添加的合金元素的量以及石墨烯的质量，能够得到兼具优异的导电、导热以及耐磨性能的铜合金基石墨烯复合材料，因此具有良好的应用前景。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步说明，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1：
本实施例提供了一种高性能铜铬合金石墨烯复合材料，该复合材料的制备方法如下：
(1)将铜粉与铬粉机械合金化，得到铜铬合金粉，其中铬粉的原子百分比占1％；
(2)称取石墨烯，该石墨烯质量与步骤(1)中的铜铬合金粉的质量之比为2：998，将该石墨烯加入乙醇中超声2h，得到浓度为0.2g/L的石墨烯乙醇分散液；
(3)将步骤(1)得到的铜铬合金粉加入到球磨罐中，再倒入步骤(2)配制的石 墨烯分散液进行高速球磨，按球料比为2:1，球磨转速为300r/min，球磨时间10h，然后将浆料抽滤、真空烘干，得到铜铬合金石墨烯复合粉体；
(4)在400℃下利用氢气还原步骤(3)得到的铜铬合金石墨烯复合粉体；
(5)称取一定量步骤(4)处理后的铜铬合金石墨烯复合粉体，加入至Φ20的石墨模具中，利用10MPa压力进行预压成型；然后连同石墨模具放入SPS烧结炉中进行真空烧结，升温速率为100℃/min，压力30MPa，烧结温度为600℃，保温5min，烧结后得到Φ20的铜铬合金石墨烯复合材料。
将上述制得的铜铬合金石墨烯复合材料制成微型拉伸样品，经材料万能试验机测量，该样品的抗拉强度可达340MPa。
经激光热导仪测量，上述制得的铜铬合金石墨烯复合材料的热扩散系数为106mm2/s，与纯铜样品相当。利用涡流法测量，上述制得的铜铬合金石墨烯复合材料的电导率为98％IACS。通过摩擦磨损试验证实，上述制得的铜铬合金石墨烯复合材料的耐磨性较纯铜提高20％。
对比实施例1：
本实施例是上述实施例1的对比实施例。
本对比实施例提供了一种铜基石墨烯复合材料，该复合材料的制备方法如下：
(1)称取一定量铜粉；
(2)称取石墨烯，该石墨烯质量与步骤(1)中的铜粉的质量之比为2：1000，将该石墨烯加入乙醇中超声2h，得到浓度为0.4g/L的石墨烯乙醇分散液；
(3)将步骤(1)得到的铜粉加入到球磨罐中，再倒入步骤(2)配制的石墨烯分散液进行高速球磨，按球料比为2:1，球磨转速为300r/min，球磨时间10h，然后将浆料抽滤、真空烘干，得到铜基石墨烯复合粉体；
(4)在400℃下利用氢气还原步骤(3)得到的铜基石墨烯复合粉体；
(5)称取一定量步骤(4)处理后的铜基石墨烯复合粉体，该铜基石墨烯复合粉体质量与实施例1步骤(5)中称取的铜铬合金石墨烯复合粉体的质量相同，将其加入至Φ20的石墨模具中，利用10MPa压力进行预压成型；然后连同石墨模具放入SPS烧结炉中进行真空烧结，升温速率为100℃/min，压力30MPa，烧结温度为600℃，保温5min，烧结后得到Φ20的铜基石墨烯复合材料。
将上述制得的铜基石墨烯复合材料制成微型拉伸样品，经材料万能试验机测量，该样品的抗拉强度为258MPa。
经激光热导仪测量，上述制得的铜基石墨烯复合材料的热扩散系数为95mm2/s，与纯铜样品相当。利用涡流法测量，上述制得的铜基石墨烯复合材料的电导率为90％IACS。通过摩擦磨损试验证实，上述制得的铜基石墨烯复合材料的耐磨性较纯铜略微降低。
实施例2：
本实施例提供了一种高性能铜钛合金石墨烯复合材料，该复合材料的制备方法如下：
(1)将铜粉与钛粉机械混合，得到铜钛合金粉，其中钛粉的原子百分比占2％；
(2)称取石墨烯，该石墨烯质量与步骤(1)中的铜钛合金粉的质量之比为5：995，将该石墨烯加入乙醇中超声2h，得到浓度为0.3g/L的石墨烯乙醇分散液；
(3)将步骤(1)得到的铜钛合金粉加入到球磨罐中，再倒入步骤(2)配制的石墨烯分散液进行高速球磨，按球料比为2:1，球磨转速为400r/min，球磨时间10h，然后将浆料抽滤、真空烘干，得到铜钛合金石墨烯复合粉体；
(4)在400℃下利用氢气还原步骤(3)得到的铜钛合金石墨烯复合粉体；
(5)称取一定量步骤(4)处理后的铜钛合金石墨烯复合粉体，加入至Φ20的石墨模具中，利用15MPa压力进行预压成型；然后连同石墨模具放入SPS烧结炉中进行真空烧结，升温速率为100℃/min，压力40MPa，烧结温度为600℃，保温5min，烧结后得到Φ20的铜钛合金石墨烯复合材料。
将上述制得的铜钛合金石墨烯复合材料制成微型拉伸样品，经材料万能试验机测量，该样品的抗拉强度可达312MPa。
经激光热导仪测量，上述制得的铜钛合金石墨烯复合材料的热扩散系数为102mm2/s，与纯铜样品相当。利用涡流法测量，上述制得的铜钛合金石墨烯复合材料的电导率为91％IACS。通过摩擦磨损试验证实，上述制得的铜钛合金石墨烯复合材料的耐磨性较纯铜提高15％。
对比实施例2：
本实施例是上述实施例2的对比实施例。
本对比实施例提供了一种铜基石墨烯复合材料，该复合材料的制备方法如下：
(1)称取一定量铜粉；
(2)称取石墨烯，该石墨烯质量与步骤(1)中的铜粉的质量之比为5：995，将该石墨烯加入乙醇中超声2h，得到浓度为0.3g/L的石墨烯乙醇分散液；
(3)将步骤(1)得到的铜粉加入到球磨罐中，再倒入步骤(2)配制的石墨烯分散液进行高速球磨，按球料比为2:1，球磨转速为400r/min，球磨时间10h，然后将浆料抽滤、真空烘干，得到铜基石墨烯复合粉体；
(4)在400℃下利用氢气还原步骤(3)得到的铜基石墨烯复合粉体；
(5)称取一定量步骤(4)处理后的铜基石墨烯复合粉体，该铜基石墨烯复合粉体质量与实施例1步骤(5)中称取的铜铬合金石墨烯复合粉体的质量相同，将其加入至Φ20的石墨模具中，利用15MPa压力进行预压成型；然后连同石墨模具放入SPS烧结炉中进行真空烧结，升温速率为100℃/min，压力40MPa，烧结温度为600℃，保温5min，烧结后得到Φ20的铜基石墨烯复合材料。
将上述制得的铜基石墨烯复合材料制成微型拉伸样品，经材料万能试验机测量，该样品的抗拉强度可达175MPa。
经激光热导仪测量，上述制得的铜基石墨烯复合材料的热扩散系数为75mm2/s。利用涡流法测量，上述制得的铜基石墨烯复合材料的电导率为82％IACS。通过摩擦磨损试验证实，上述制得的铜基石墨烯复合材料的耐磨性较纯铜降低30％。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.兼具有良好的导电、导热、强度和耐磨性能的铜基石墨烯复合材料的制备方法，提高铜基石墨烯复合材料中石墨烯与铜基体结合力的方法，其特征是：包括如下步骤：
在铜粉中添加合金粉体，机械合金化，得到铜合金粉体；所述的合金粉体的粒径小于5μm，铜粉粒径小于或等于400目；
将乙醇与石墨烯混合，均匀分散后得到石墨烯分散液；
将铜合金粉体与石墨烯分散液球磨混合均匀，然后过滤、真空干燥，得到铜合金石墨烯复合粉体；
将铜合金石墨烯复合粉体加入石墨模具中，预压成型后放入放电等离子烧结炉中进行放电等离子烧结成型，得到铜基石墨烯复合材料；
所述的合金粉体占铜合金粉体的0.1～15at％；
所述的石墨烯占石墨烯与铜合金粉体总质量的0.01～5wt％；
所述的合金元素为铬、钛、钒、镍、钨、铌中的一种元素或两种以上的混合元素；
所述的预压压力为5～15MPa；
所述的放电等离子烧结工艺中，升温速率为20～150℃/min，烧结温度为500～900℃，压制压力为30～60MPa，保温时间为2～10min。
2.如权利要求1所述的兼具有良好的导电、导热、强度和耐磨性能的铜基石墨烯复合材料的制备方法，其特征是：所述的铜合金石墨烯复合粉体首先在氢气保护气氛中进行还原，然后加入石墨模具中进行预压成型；作为优选，所述的还原温度为200～500℃。
3.如权利要求1所述的兼具有良好的导电、导热、强度和耐磨性能的铜基石墨烯复合材料的制备方法，其特征是：所述的铜粉与合金粉体采用高能球磨进行机械合金化；作为优选，球料比为5:1～10:1，球磨转速为100～400r/min，球磨时间为10h～70h。
4.如权利要求1所述的兼具有良好的导电、导热、强度和耐磨性能的铜基石墨烯复合材料的制备方法，其特征是：所述的石墨烯粒径为5～10μm，厚度小于或等于10nm；
作为优选，所述的石墨烯分散液中，石墨烯分散液的浓度为0.2～12g/L。
5.如权利要求1所述的兼具有良好的导电、导热、强度和耐磨性能的铜基石墨烯复合材料的制备方法，其特征是：采用超声分散石墨烯分散液，超声分散时间为0.5～2h；
作为优选，所述的铜合金粉体与石墨烯分散液球磨混合时，球料比为2:1～5:1，球磨转速为100～400r/min，球磨时间为2h～10h。
6.如权利要求1所述的兼具有良好的导电、导热、强度和耐磨性能的铜基石墨烯复合材料的制备方法，其特征是：所述的放电等离子烧结在真空或者惰性气体保护环境下进行，真空度优选为10-4～10-1Pa。
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