CN106048283A - 一种铜‑石墨烯复合材料的制备方法及电气设备导电回路的制备方法 - Google Patents

一种铜‑石墨烯复合材料的制备方法及电气设备导电回路的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铜‑石墨烯复合材料的制备方法及电气设备导电回路的制备方法。铜‑石墨烯复合材料的制备方法包括：真空条件下，以喷雾形式向铜熔体中加入石墨烯浆体，搅拌混合，铸造，即得铜‑石墨烯复合材料；该复合材料中，石墨烯的质量为铜质量的1％～10％。本发明提供的铜‑石墨烯复合材料的制备方法，石墨烯浆料以喷雾形式加入到铜熔体中，避免了石墨烯之间的团聚；石墨烯加入铜熔体中可以起到弥散强化的作用，增加复合材料的硬度、导热性和导电性。本发明的铜‑石墨烯复合材料的制备方法，工艺简单，生产成本低，所得铜‑石墨烯复合材料可用于电气设备的导电回路材料，进而有效降低电气设备的温升。

Description

一种铜-石墨烯复合材料的制备方法及电气设备导电回路的 制备方法
技术领域
本发明属于石墨烯-金属复合材料领域，具体涉及一种铜-石墨烯复合材料的制备方法及电气设备导电回路的制备方法。
背景技术
当电流通过电气设备(真空断路器、导电回路等)的导电回路时会产生热量，进而使电气设备的温度高于环境温度，产生温升。电气设备的温升应控制在相应标准推荐的范围内，才能使电气设备安全、高效的运行。随着目前电气设备大型化、高压化的发展，高额定电流的电气设备不断涌现，电气设备的温升也越来越大，多数电气设备的实际温升往往超出安全范围，给电气设备的安全运行带来隐患。
通过制造高导热、高导电的导电回路材料是降低电气设备温升的方法之一。石墨烯是一种新型二维纳米材料，其纳米片是由SP2杂化碳原子组成的单原子层厚度的二维材料，其强度高达1.01TPa，导热系数高达5300w/m·k，常温下电子迁移率超过200000cm2/v·s，电阻率约1Ω·m，具有强度高、导热性好、电阻率低的特点。制备性能优良的石墨烯/金属复合材料已成为研究热点之一。
CN105063405A公开了一种铜基烯合金的制备方法，该方法包括：制备石墨烯和/或铜合金混合粉体、装入包套真空除气、热等静压、重熔、均匀化处理。该方法通过高能球磨制备铜基石墨烯合金预制锭，重熔到铜合金溶液中，改善了石墨烯与铜合金的润湿性。
现有技术中，铜-石墨烯复合材料的制备方法复杂，生产成本高，难以实现工业化生产。
发明内容
本发明的目的是提供一种铜-石墨烯复合材料的制备方法，从而解决现有技术中铜-石墨烯复合材料的制备方法复杂，生产成本高的问题。
本发明的第二个目的是提供一种电气设备导电回路的制备方法。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
一种铜-石墨烯复合材料的制备方法，包括：真空条件下，以喷雾形式向铜熔体中加入石墨烯浆体，搅拌混合，铸造，即得铜-石墨烯复合材料；该复合材料中，石墨烯的质量为铜质量的1％～10％。
所述石墨烯浆体由以下重量百分比的组分组成：溶剂70％～95％，石墨烯粉4.5％～27％，分散剂0.5％～3％。
优选的，溶剂为水或乙醇。分散剂为二甲基甲酰胺(DMF)或N-甲基吡咯烷酮(NMP)。石墨烯粉的粒度为1～20μm。
该石墨烯浆料在制备时，向溶剂中加入分散剂混匀，再加入石墨烯粉，混合均匀，即得。
铜熔体的温度为1100℃～1300℃。
本发明提供的铜-石墨烯复合材料的制备方法，石墨烯浆料以喷雾形式加入到铜熔体中，避免了石墨烯之间的团聚；石墨烯加入铜熔体中可以起到弥散强化的作用，增加复合材料的硬度、导热性和导电性。本发明的铜-石墨烯复合材料的制备方法，工艺简单，生产成本低，所得铜-石墨烯复合材料可用于电气设备的导电回路材料，进而有效降低电气设备的温升。
一种电气设备导电回路的制备方法，包括：真空条件下，以喷雾形式向铜熔体中加入石墨烯浆体，搅拌混合，铸造成导电回路零部件，组装成导电回路，即得；该导电回路零部件中，石墨烯的质量为铜质量的1％～10％。
所述石墨烯浆体由以下重量百分比的组分组成：溶剂70％～95％，石墨烯粉4.5％～27％，分散剂0.5％～3％。优选的，溶剂为水或乙醇。分散剂为二甲基甲酰胺(DMF)或N-甲基吡咯烷酮(NMP)。石墨烯粉的粒度为1～20μm。
铜熔体的温度为1100℃～1300℃。
电气设备以真空灭弧室为例，导电回路包括电连接的静导电杆、动导电杆。采用上述制备方法，相应铸造成静导电杆、动导电杆，再依照现有技术组装成真空灭弧室即可。检测由发明的复合材料制成的导电回路，在大额定电流下，可降低温升3～10℃，大大提高了大型电气设备运行的安全性。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例的电气设备导电回路的制备方法，是在真空条件下，采用喷雾机将石墨烯浆体以喷雾形式(雾滴平均直径小于150微米)加入铜熔体中，喷雾机的功率为1kW，转速为3000r/min；铜熔体的温度为1100℃，喷雾期间以500r/min的速度搅拌，喷雾后，以1000r/min的速度搅拌20min，铸造成真空灭弧室用静导电杆、动导电杆；组装成真空灭弧室导电回路；该导电回路为铜-石墨烯复合材料，其中石墨烯的质量为铜质量的1％；
石墨烯浆体由以下重量百分比的组分组成：水70％，石墨烯粉27％，NMP 3％；石墨烯粉的粒度为1μm；将水、NMP混匀，再加入石墨烯粉混合均匀，即得石墨烯浆体。
实施例2
本实施例的电气设备导电回路的制备方法，是在真空条件下，采用喷雾机将石墨烯浆体以喷雾形式(雾滴平均直径小于150微米)混入铜熔体中，喷雾机的功率为10kW，转速为10000r/min；铜熔体的温度为1200℃，喷雾期间以2000r/min的速度搅拌，喷雾后，以3000r/min的速度搅拌60min，铸造成真空灭弧室用静导电杆、动导电杆；组装成真空灭弧室导电回路；该导电回路为铜-石墨烯复合材料，其中石墨烯的质量为铜质量的5％；
石墨烯浆体由以下重量百分比的组分组成：乙醇78％，石墨烯粉20％，DMF 2％；石墨烯粉的粒度为8μm；将乙醇、DMF混匀，再加入石墨烯粉混合均匀，即得石墨烯浆体。
实施例3
本实施例的电气设备导电回路的制备方法，是在真空条件下，采用喷雾机将石墨烯浆体以喷雾形式(雾滴平均直径小于150微米)混入铜熔体中，喷雾机的功率为5kW，转速为5000r/min；铜熔体的温度为1250℃，喷雾期间以1000r/min的速度搅拌，喷雾后，以2000r/min的速度搅拌30min，铸造成真空灭弧室用静导电杆、动导电杆；组装成真空灭弧室导电回路；该导电回路为铜-石墨烯复合材料，其中石墨烯的质量为铜质量的8％；
石墨烯浆体由以下重量百分比的组分组成：水89％，石墨烯粉10％，NMP 1％；石墨烯粉的粒度为10μm；将水、NMP混匀，再加入石墨烯粉混合均匀，即得石墨烯浆体。
实施例4
本实施例的电气设备导电回路的制备方法，是在真空条件下，采用喷雾机将石墨烯浆体以喷雾形式(雾滴平均直径小于150微米)混入铜熔体中，喷雾机的功率为8kW，转速为8000r/min；铜熔体的温度为1300℃，喷雾期间以1500r/min的速度搅拌，喷雾后，以2500r/min的速度搅拌40min，铸造成真空灭弧室用静导电杆、动导电杆；组装成真空灭弧室导电回路；该导电回路为铜-石墨烯复合材料，其中石墨烯的质量为铜质量的10％；
石墨烯浆体由以下重量百分比的组分组成：乙醇95％，石墨烯粉4.5％，DMF0.5％；石墨烯粉的粒度为20μm；将乙醇、DMF混匀，再加入石墨烯粉混合均匀，即得石墨烯浆体。
在本发明的其他实施例中，可采用上述方法将石墨烯加入铜熔体中，选择适宜的模具，铸造成其他类型的电气设备导电回路零部件，如母线等，从而可以大幅度地降低电气设备的温升。
试验例
将各实施例的静导电杆、动导电杆按现有技术组装成真空灭弧室，对比例的真空灭弧室静导电杆、动导电杆材料均为铜。检测各实施例和对比例的真空灭弧室在2000A电流下的温升值，检测方法参照GB/T 11022-2011高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求标准进行，结果如表1所示。
表1各实施例和对比例的真空灭弧室的温升检测结果
序号 温升，℃ 温升降低值，℃
对比例 40 0
实施例1 37 3
实施例2 34 6
实施例3 32 8
实施例4 30 10
由表1的结果可知，本发明的铜-石墨烯复合材料在作为导电材料应用时，在2000A的大额定电流下，可有效降低温升3℃～10℃，从而保证了电气设备在较大额定电流下仍能安全运行，延长电气设备的使用寿命。

Claims (10)

1.一种铜-石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括：真空条件下，以喷雾形式向铜熔体中加入石墨烯浆体，搅拌混合，铸造，即得铜-石墨烯复合材料；该复合材料中，石墨烯的质量为铜质量的1％～10％。
2.如权利要求1所述的铜-石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述石墨烯浆体由以下重量百分比的组分组成：溶剂70％～95％，石墨烯粉4.5％～27％，分散剂0.5％～3％。
3.如权利要求2所述的铜-石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，溶剂为水或乙醇。
4.如权利要求2所述的铜-石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，分散剂为二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮。
5.如权利要求1～4任一项所述的铜-石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，铜熔体的温度为1100℃～1300℃。
6.一种电气设备导电回路的制备方法，其特征在于，包括：真空条件下，以喷雾形式向铜熔体中加入石墨烯浆体，搅拌混合，铸造成导电回路零部件，组装成导电回路，即得；该导电回路零部件中，石墨烯的质量为铜质量的1％～10％。
7.如权利要求6所述的电气设备导电回路的制备方法，其特征在于，所述石墨烯浆体由以下重量百分比的组分组成：溶剂70％～95％，石墨烯粉4.5％～27％，分散剂0.5％～3％。
8.如权利要求7所述的电气设备导电回路的制备方法，其特征在于，溶剂为水或乙醇。
9.如权利要求7所述的电气设备导电回路的制备方法，其特征在于，分散剂为二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮。
10.如权利要求6～9任一项所述的电气设备导电回路的制备方法，其特征在于，铜熔体的温度为1100℃～1300℃。
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