CN109182815A - 一种Cu-Co-Gr复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Cu‑Co‑Gr复合材料及其制备方法，其中，制备方法如下：(1)、通过机械合金化在Cu基体中引入过渡金属元素Co，得Cu‑Co预合金粉；(2)、将石墨烯溶液进行超声震荡分散，然后加入Cu‑Co预合金粉，球磨、取出料浆烘干，得Cu‑Co‑Gr复合材料粉体；(3)、将Cu‑Co‑Gr复合材料粉体进行预压成型，然后进行高真空热压烧结，即得Cu‑Co‑Gr复合材料。本发明通过在Cu‑Gr复合材料中加入Co，并采用本发明的制备方法，有效提高了Cu/Gr界面的亲和力，改善了Cu/Gr界面润湿性，提高了Cu/Gr复合材料的致密度和强度，并且复合材料的导电性和摩擦性能良好。

Description

一种Cu-Co-Gr复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及铜基复合材料技术领域，具体而言，涉及一种Cu-Co-Gr复合材料及其制备方法。

背景技术

铜基复合材料广泛应用于载流摩擦和电接触材料等领域，制备高强度、高抗磨和高电接触稳定性的铜基复合材料一直是功能复合材料领域的热点之一。适当引入增强体的复合强化方式是制备铜基复合材料的一种有效途径，这样既能发挥基体与增强体的协同作用，也不会明显降低铜基体的导电性。

Cu/C复合材料具有较高的导电、导热性能，良好的减摩抗磨性能，目前广泛用于航母预警雷达、国际空间站太阳能帆板汇流环、导弹信号传输系统等滚滑动电接触部件，起到高功率稳定传输电能以及高转速下准确可靠传输信号的作用。

近年来，石墨烯(Graphene，简称Gr)由于其优异的力、电性能以及良好的自润滑性能成为Cu/C复合材料增强体的研究热点。随着科技发展和社会进步，对Cu/C复合材料(如Cu/Gr复合材料)服役速度和可靠性的要求不断提高。但Cu/Gr界面不润湿严重制约了该复合材料强度的提升。因此，如何从本质上改善Cu/Gr界面的润湿性，进而提升Cu/Gr复合材料的强度，已经成为Cu/C复合材料领域的一个重要研究方向。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种Cu-Co-Gr复合材料及其制备方法，以解决现有技术中的Cu/Gr复合材料的Cu/Gr界面不润湿，导致Cu/Gr复合材料强度不高的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种Cu-Co-Gr复合材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

(1)、通过机械合金化方法在Cu基体中引入过渡金属元素Co，得到Cu-Co预合金粉；

(2)、将石墨烯溶液进行超声震荡分散，然后加入步骤(1)所得Cu-Co预合金粉，球磨、取出料浆烘干，得Cu-Co-Gr复合材料粉体；

(3)、将步骤(2)所得Cu-Co-Gr复合材料粉体进行预压成型，然后进行高真空热压烧结，即得所述Cu-Co-Gr复合材料。

进一步地，步骤(2)中，Cu-Co-Gr复合材料粉体中石墨烯的质量分数小于0.5％，Co的质量分数为0.4％～0.5％。

进一步地，步骤(2)中，Cu-Co-Gr复合材料粉体中Co和Gr的原子摩尔比为1:2～1:3。

进一步地，步骤(3)中，预压成型的压力为2MPa～5MPa，高真空热压烧结的真空度控制在0.1Pa以下，烧结温度为800℃～850℃，烧结保温时间控制在30min～60min，烧结压力控制在20MPa～30MPa。

进一步地，步骤(2)中，石墨烯溶液通过如下方法制备得到：先将聚乙烯吡咯烷酮加入到无水乙醇中搅拌直至完全溶解，然后加入适量的石墨烯搅拌，再使用超声震荡分散，即得，其中，搅拌时间为10min～30min，超声频率为40kHz，分散时间为1h～2h。

进一步地，步骤(2)中，石墨烯溶液中石墨烯的质量浓度为0.3％～0.5％，石墨烯溶液中聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度为3％～5％。

进一步地，步骤(2)中，烘干的温度为60℃～80℃，烘干时间控制在10h～20h。

进一步地，步骤(1)中，通过机械合金化方法在Cu基体中引入过渡金属元素Co具体是指：将Cu粉和Co粉加入行星球磨机中，在转速为500rpm～600rpm，球料比为5:1～6:1条件下，使用硬质合金球磨罐和硬质合金磨球，注入氩气保护进行干法球磨，球磨时间控制在24h～48h。

进一步地，步骤(2)中，球磨操作具体是指：将石墨烯溶液和Cu-Co预合金粉加入行星球磨机中，在转速为200rpm～300rpm、球料比为2:1～3:1条件下，使用玛瑙球磨罐和玛瑙磨球，注入氩气保护进行球磨，球磨时间控制在4h～5h。

根据本发明的另一方面，提供了一种Cu-Co-Gr复合材料，该Cu-Co-Gr复合材料通过上述的制备方法制备得到。

应用本发明的技术方案，通过在Cu基体中引入过渡金属元素Co作为碳化物形成元素，Co具有适中的碳化物形成能力，在复合材料粉体烧结过程中可与石墨烯形成一定含量的碳化物，并且可以避免形成明显的碳化物粒子而降低材料的摩擦性能。Co的加入可有效提高Cu/Gr界面的亲和力，改善Cu/Gr界面润湿性，从而提高Cu/Gr复合材料的致密度和强度，并且复合材料的导电性和摩擦性能良好。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了实施例1、对比例2和对比例3的复合材料及纯Cu的XRD图谱。

图2示出了实施例1、对比例2和对比例3的复合材料及纯Cu的摩擦性能对比图。

图3示出了本发明实施例1的Cu-Co-Gr复合材料的样品实物照。

图4示出了本发明实施例1的Cu-Co-Gr复合材料的样品SEM照片。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。

如背景技术所记载的，现有的Cu/Gr复合材料由于Cu/Gr亲和力差、Cu/Gr界面不润湿，导致Cu/Gr复合材料的强度无法满足要求，为了解决上述问题，本发明提供了一种Cu-Co-Gr复合材料及其制备方法。

在本发明的一种典型的实施方式中，提供了一种Cu-Co-Gr复合材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

(1)、通过机械合金化方法在Cu基体中引入过渡金属元素Co，得到Cu-Co预合金粉；

(2)、将石墨烯溶液进行超声震荡、分散，然后加入步骤(1)所得Cu-Co预合金粉，球磨、取出料浆烘干，得Cu-Co-Gr复合材料粉体；

(3)、将步骤(2)所得Cu-Co-Gr复合材料粉体进行预压成型，然后进行高真空热压烧结，即得Cu-Co-Gr复合材料。

石墨烯属于碳材料的一种，同碳元素一样，石墨烯与Cu元素难以发生反应，因此，Cu/Gr界面不润湿。研究发现，造成Cu/Gr界面不润湿的本质原因是Cu原子的d层电子为10个，已经是全满结构，不具备碳化物形成能力，与碳没有亲和力。

本申请的发明人研究发现，通过向Cu/Gr复合材料中引入合适的碳化物形成元素可以提高Cu/Gr界面的亲和力，改善其界面润湿性，但是，其碳化物形成能力又不能太强，否则会形成明显的碳化物粒子，降低材料的摩擦性能。

本发明首次在Cu基体中引入过渡金属Co作为碳化物形成元素，Co原子具有一定的碳化物形成能力，同时其碳化物形成能力又比较弱，将Co原子加入到Cu/Gr复合材料中经烧结后得到的Cu-Co-Gr复合材料中具有一定量的碳化物，但又不会形成明显的碳化物粒子，不仅有效提高了Cu/Gr复合材料的界面润湿性，提高了复合材料的强度，而且保留了Cu较好的导电性能，其摩擦系数小，摩擦性能稳定。

除了加入的碳化物形成元素的种类之外，碳化物形成元素的添加量对所制备的Cu/Gr复合材料的性能也具有较大的影响。若过渡金属Co的添加量太低，起不到改善Cu-Gr界面润湿性的作用，无法起到提高Cu/Gr复合材料强度的作用；相反，若Co的添加量太多则容易形成较多的碳化物第二相粒子，会降低复合材料的导电性和摩擦性能。通过发明人大量研究发现，将Cu-Co-Gr复合材料粉体中Co的质量分数控制在0.4％～0.5％，石墨烯的质量分数小于0.5％时，既能起到理想的界面润湿性作用，有效提高复合材料的强度，又可避免对复合材料的导电性和摩擦性能造成不利影响。

本发明先将过渡金属元素Co引入到Cu基体中，形成Cu-Co预合金粉，然后将Cu-Co预合金粉加入到石墨烯溶液中，再进行超声分散，通过液相混合的方式可使各原料之间分散更加均匀，有利于提高复合材料内部结构的均匀性，提高其结构强度。

具体来说，本发明通过如下的机械合金化方法在Cu基体中引入过渡金属元素Co：

首先将Cu粉和Co粉加入到行星球磨机中，在转速为500rpm～600rpm，球料比为5:1～6:1的条件下，使用硬质合金球磨罐和硬质合金磨球，并注入氩气保护进行干法球磨，球磨的时间控制在24h～48h。通过上述的机械合金化方法可以使Co均匀地分散在Cu基体中，形成均匀混合的Cu-Co预合金粉。

在将该Cu-Co预合金粉加入到石墨烯溶液中之前，先将石墨烯溶液进行分散，以得到均匀分散体系，该石墨烯溶液具体通过如下方法制备得到：

先将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入到无水乙醇中搅拌直至完全溶解，然后加入适量的石墨烯搅拌，再使用超声震荡分散，即得分散均匀的石墨烯溶液。其中，搅拌时间控制在10min～30min，超声频率为40kHz，分散的时间控制在1h～2h。通过加入聚乙烯吡咯烷酮并采用上述的工艺参数，得到充分分散的石墨烯溶液。

进一步地，石墨烯溶液中石墨烯的质量浓度优选控制在0.3％～0.5％，石墨烯溶液中聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度优选控制在3％～5％。若石墨烯的浓度太低，将浪费溶剂无水乙醇；若石墨烯的浓度太高，则会导致石墨烯的分散效果不好；若聚乙烯吡咯烷酮的浓度太低，起不到很好地分散石墨烯的效果，若其浓度太高，则溶液太过粘稠，同样不利于石墨烯的搅拌分散。通过反复实验研究，综合考虑各方面因素，将石墨烯浓度和聚乙烯吡咯烷酮浓度控制在在上述范围内效果最好。

本发明向均匀分散后的石墨烯溶液中加入Cu-Co预合金粉，再对混合液进行湿法球磨，以使Cu、Co及石墨烯的粒度更加细化，并使Cu、Co及石墨烯之间充分混合均匀。其球磨的具体过程如下：将超声分散后的石墨烯溶液和Cu-Co预合金粉加入到行星球磨机中，在转速为200rpm～300rpm、球料比为2:1～3:1条件下，使用玛瑙球磨罐和玛瑙磨球，并注入氩气保护进行球磨，球磨的时间控制在4h～5h。在此条件下，可以得到充分细化并分散均匀的Cu、Co和石墨烯的混合料浆，有利于在复合材料内部均匀地形成碳化物，有利于提高复合材料的致密度和强度。

经球磨形成Cu、Co和石墨烯的混合料浆后，将料浆取出并烘干，得到Cu-Co-Gr复合材料粉体，然后将所得Cu-Co-Gr复合材料粉体进行预压成型和高真空热压烧结，即得到本发明的Cu-Co-Gr复合材料。其中，烘干的温度为60℃～80℃，烘干时间控制在10h～20h；预压成型的压力优选控制在2MPa～5MPa；高真空热压烧结的真空度优选控制在0.1Pa以下，烧结温度优选控制在800℃～850℃，烧结保温的时间优选控制在30min～60min，烧结压力优选控制在20MPa～30MPa。

在高真空热压烧结过程中，复合材料中加入的部分Co会与石墨烯中的碳元素形成少量的碳化物，这些碳化物均匀地分散在复合材料的内部，提高Cu-Gr之间的亲和力，提高Cu-Gr的界面润湿性，进而提高复合材料的致密度和强度。在高真空热压烧结过程中，烧结条件的控制(尤其是烧结温度)对复合材料内部结构的形成具有一定影响。通过发明人反复研究发现，在上述的高真空热压烧结条件下，更加有利于提高复合材料的致密度和强度，并且不会对复合材料的导电性和摩擦性能造成不利影响。

经测试，采用本发明的制备方法所得的Cu-Co-Gr复合材料具有较高的致密度和强度，并且其导电性能和摩擦性能均保持在较高的水平。说明本发明的制备方法可以有效提高Cu/Gr复合材料中Cu-Gr界面的润湿性。

下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不应将其理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1：

一种本发明实施例的Cu-Co-Gr复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)、采用机械合金化方法制备Cu-Co预合金粉：

将粒度为200目的Cu粉99.3g、Co粉0.5g加入到行星球磨机中进行干磨，球磨转速为600rpm，球料比为6:1，使用硬质合金球磨罐和硬质合金磨球，并注入氩气进行保护，球磨的时间为48h，得到Cu-Co预合金粉。

(2)、制备Cu-Co-Gr复合材料粉体：

将2g PVP加入到50mL无水乙醇中搅拌直至完全溶解，再加入0.2g石墨烯继续搅拌，然后进行超声震荡分散，得到分散均匀的石墨烯溶液；其中，搅拌时间为30min，超声频率为40kHz，分散时间为2h；

将上述分散均匀的石墨烯溶液与Cu-Co预合金粉混合球磨，采用行星球磨方式，转速为300rpm，球料比为3:1，使用玛瑙球磨罐和玛瑙磨球，并注入氩气进行保护，球磨时间为5h，球磨结束后将料浆取出并烘干，烘干温度为60℃，烘干时间为20h，得到Cu-Co-Gr复合材料粉体。

(3)、制备Cu-Co-Gr复合材料：

将所得Cu-Co-Gr复合材料粉体放入石墨模具中，施加压力5MPa进行预压成型，然后进行高真空热压烧结，烧结真空度为0.08Pa，烧结温度为850℃，烧结压力为30MPa，升温速度控制在10℃/min，保温时间为30min，即得到块体Cu-Co-Gr复合材料。

性能测试：

对所得Cu-Co-Gr复合材料进行致密度、拉伸强度、导电性能及摩擦磨损性能测试，测试方法及测试结果如下：

致密度测试：使用阿基米德排水法测试试样密度，除以理论密度得到相对致密度。

拉伸强度测试：试样尺寸长50mm，宽7mm，厚3mm，拉伸速度0.5mm/min。

导电性能测试：试样尺寸长10mm，宽5mm，厚0.2mm，四端法测试，结果与纯铜比较，用IACS表示。

摩擦磨损性能测试：

1)摩擦方式：往复摩擦

2)载荷：1N

3)对磨副：SiC

4)线速度：3cm/s

5)半径：3mm

6)时间：30min

经测试，本实施例所得Cu-Co-Gr复合材料试样的致密度为95.1％，拉伸强度为233MPa，比同样烧结条件的纯铜拉伸强度180MPa提升了29.4％；该Cu-Co-Gr复合材料试样的导电性为85.2％IACS，摩擦系数平均为0.08。

由以上测试结果可以看出，本实施例所得的Cu-Co-Gr复合材料试样的致密度较高。一般而言，传统的Cu/Gr复合材料的致密度在90％左右，因为石墨烯和铜之间互相不润湿，它们之间的结合是物理结合，必然造成大量孔隙的存在，进而使得强度降低，导电性能降低。本实施例中Co元素的加入使得复合材料的致密度大幅提高，且导电性能保持在较高水平，这从侧面说明，Co的加入确实改善了Cu/Gr之间的界面润湿性，从而提升了复合材料的致密度和强度。

另外，本实施例所得的Cu-Co-Gr复合材料试样的摩擦系数平均仅为0.08，说明石墨烯的结构并未被Co的加入而改变，并未形成明显的碳化物粒子，石墨烯发挥了其该有的固体润滑剂的作用。因为，如果复合材料内部有大量的碳化物生成，将会改变石墨烯的结构，那么由于磨粒磨损的存在，摩擦系数将会大幅提高。参见图1中曲线D，本实施例的Cu-Co-Gr复合材料的XRD图谱中并未出现第二相碳化物粒子的衍射峰，这也说明复合材料内部并未形成明显的碳化物粒子。本实施例所得样品的实物照如图3所示，其SEM照片如图4所示。

实施例2：

一种本发明实施例的Cu-Co-Gr复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)、采用机械合金化方法制备Cu-Co预合金粉：

将粒度为200目的Cu粉99.36g、Co粉0.4g加入到行星球磨机中进行干磨，球磨转速为500rpm，球料比为5:1，使用硬质合金球磨罐和硬质合金磨球，并注入氩气进行保护，球磨的时间为48h，得到Cu-Co预合金粉。

(2)、制备Cu-Co-Gr复合材料粉体：

将2.5g PVP加入到50mL无水乙醇中搅拌直至完全溶解，再加入0.24g石墨烯继续搅拌，然后进行超声震荡分散，得到分散均匀的石墨烯溶液；其中，搅拌时间为10min，超声频率为40kHz，分散时间为1h；

将上述分散均匀的石墨烯溶液与Cu-Co预合金粉混合球磨，采用行星球磨方式，转速为200rpm，球料比为2:1，使用玛瑙球磨罐和玛瑙磨球，并注入氩气保护，球磨时间为4h，球磨结束后将料浆取出烘干，烘干温度为80℃，烘干时间为10h，得到Cu-Co-Gr复合材料粉体。

(3)、制备Cu-Co-Gr复合材料：

将所得Cu-Co-Gr复合材料粉体放入石墨模具中，施加压力2MPa进行预压成型，然后进行高真空热压烧结，烧结真空度为0.06Pa，烧结温度为800℃，烧结压力为20MPa，升温速度控制在10℃/min，保温时间为60min；即得到块体Cu-Co-Gr复合材料。

性能测试：

对本实施例所得Cu-Co-Gr复合材料进行致密度、拉伸强度、导电性能及摩擦磨损性能测试，测试方法及测试结果如下：

致密度测试：使用阿基米德排水法测试试样密度，除以理论密度得到相对致密度。

拉伸强度测试：试样尺寸长50mm，宽7mm，厚3mm，拉伸速度0.5mm/min。

导电性能测试：试样尺寸长10mm，宽5mm，厚0.2mm，四端法测试，结果与纯铜比较，用IACS表示。

摩擦磨损性能测试：

1)摩擦方式：往复摩擦

2)载荷：1N

3)对磨副：SiC

4)线速度：3cm/s

5)半径：3mm

6)时间：30min

经测试，本实施例所得Cu-Co-Gr复合材料试样的致密度为93.2％，拉伸强度为214MPa，比同样烧结条件的纯铜拉伸强度提升了17.2％；该Cu-Co-Gr复合材料试样的导电性为80.3％IACS，摩擦系数平均为0.11。

由测试结果可见，本实施例所得Cu-Co-Gr复合材料的致密度和拉伸强度均明显高于传统的Cu-Gr复合材料，并且该Cu-Co-Gr复合材料具有良好的导电性能和摩擦性能。

对比例1：

一种Cu-Co-Gr复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)、机械合金化制备Cu-Co预合金粉：

将粒度为200目的Cu粉99.36g、Co粉0.4g加入到行星球磨机中进行干磨，球磨转速为500rpm，球料比为5:1，使用硬质合金球磨罐和硬质合金磨球，并注入氩气进行保护，球磨的时间为48h，得到Cu-Co预合金粉。

(2)、制备Cu-Co-Gr复合材料粉体：

将2.5g PVP加入到50mL无水乙醇中搅拌直至完全溶解，再加入0.24g石墨烯继续搅拌，然后进行超声震荡分散，得到分散均匀的石墨烯溶液；其中，搅拌时间为10min，超声频率为40kHz，分散时间为1h；

将上述分散均匀的石墨烯溶液与Cu-Co预合金粉混合球磨，采用行星球磨方式，转速为200rpm，球料比为2:1，使用玛瑙球磨罐和玛瑙磨球，并注入氩气进行保护，球磨时间为4h，球磨结束后将料浆取出并烘干，烘干温度为80℃，烘干时间为10h，得到Cu-Co-Gr复合材料粉体。

(3)、制备Cu-Co-Gr复合材料：

将所得Cu-Co-Gr复合材料粉体放入石墨模具中，施加压力2MPa进行预压成型，然后进行高真空热压烧结，烧结真空度为0.06Pa，烧结温度为900℃，烧结压力为20MPa，升温速度控制在10℃/min，保温时间为60min，即得到块体Cu-Co-Gr复合材料。

性能测试：

对本对比例所得Cu-Co-Gr复合材料进行致密度、拉伸强度、导电性能及摩擦磨损性能测试，测试方法及测试结果如下：

致密度测试：使用阿基米德排水法测试试样密度，除以理论密度得到相对致密度。

拉伸强度测试：试样尺寸长50mm，宽7mm，厚3mm，拉伸速度0.5mm/min。

导电性能测试：试样尺寸长10mm，宽5mm，厚0.2mm，四端法测试，结果与纯铜比较，用IACS表示。

摩擦磨损性能测试：

1)摩擦方式：往复摩擦

2)载荷：1N

3)对磨副：SiC

4)线速度：3cm/s

5)半径：3mm

6)时间：30min

经测试，本对比例所得试样的致密度为96.1％，拉伸强度为256MPa，比同样烧结条件的纯铜拉伸强度提升了42.2％；其导电性为46.7％IACS，摩擦系数平均为0.29。

对比例2：

一种Cu-Gr复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)、机械合金化制备Cu粉：

将粒度为200目的Cu粉99.8g加入到行星球磨机中进行干磨，球磨转速为600rpm，球料比为6:1，使用硬质合金球磨罐和硬质合金磨球，并注入氩气进行保护，球磨的时间为48h，得到Cu-Co预合金粉。

(2)、制备Cu-Gr复合材料粉体：

将2g PVP加入到50mL无水乙醇中搅拌直至完全溶解，再加入0.2g石墨烯继续搅拌，然后进行超声震荡分散，得到分散均匀的石墨烯溶液；其中，搅拌时间为30min，超声频率为40kHz，分散时间为2h；

将上述分散均匀的石墨烯溶液与Cu-Co预合金粉混合球磨，采用行星球磨方式，转速为300rpm，球料比为3:1，使用玛瑙球磨罐和玛瑙磨球，并注入氩气进行保护，球磨时间为5h，球磨结束后将料浆取出并烘干，烘干温度为60℃，烘干时间为20h，得到Cu-Gr复合材料粉体。

(3)、制备Cu-Gr复合材料：

将所得Cu-Gr复合材料粉体放入石墨模具中，施加压力5MPa进行预压成型，然后进行高真空热压烧结，烧结真空度为0.08Pa，烧结温度为850℃，烧结压力为30MPa，升温速度控制在10℃/min，保温时间为30min；即得到块体Cu-Gr复合材料。所得Cu-Gr复合材料的XRD图谱参见图1中曲线B。

性能测试：

对本对比例所得Cu-Gr复合材料进行致密度、拉伸强度、导电性能及摩擦磨损性能测试，测试方法及测试结果如下：

致密度测试：使用阿基米德排水法测试试样密度，除以理论密度得到相对致密度。

拉伸强度测试：试样尺寸长50mm，宽7mm，厚3mm，拉伸速度0.5mm/min。

导电性能测试：试样尺寸长10mm，宽5mm，厚0.2mm，四端法测试，结果与纯铜比较，用IACS表示。

摩擦磨损性能测试：

1)摩擦方式：往复摩擦

2)载荷：1N

3)对磨副：SiC

4)线速度：3cm/s

5)半径：3mm

6)时间：30min

经测试，本对比例所得试样的致密度为90.4％，拉伸强度为152.8MPa，比同样烧结条件的纯铜拉伸强度降低了15.1％；其导电性为62.3％IACS，摩擦系数平均为0.21。

对比例3：

一种Cu-Co-Gr复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)、机械合金化制备Cu-Co预合金粉：

将粒度为200目的Cu粉99.55g、Co粉0.25g加入到行星球磨机中进行干磨，球磨转速为600rpm，球料比为6:1，使用硬质合金球磨罐和硬质合金磨球，并注入氩气进行保护，球磨的时间为48h，得到Cu-Co预合金粉。

(2)、制备Cu-Co-Gr复合材料粉体：

将2g PVP加入到50mL无水乙醇中搅拌直至完全溶解，再加入0.2g石墨烯继续搅拌，然后进行超声震荡分散，得到分散均匀的石墨烯溶液；其中，搅拌时间为30min，超声频率为40kHz，分散时间为2h；

将上述分散均匀的石墨烯溶液与Cu-Co预合金粉混合球磨，采用行星球磨方式，转速为300rpm，球料比为3:1，使用玛瑙球磨罐和玛瑙磨球，并注入氩气进行保护，球磨时间为5h，球磨结束后将料浆取出并烘干，烘干温度为60℃，烘干时间为20h，得到Cu-Co-Gr复合材料粉体。

(3)、制备Cu-Co-Gr复合材料：

将所得Cu-Co-Gr复合材料粉体放入石墨模具中，施加压力5MPa进行预压成型，然后进行高真空热压烧结，烧结真空度为0.08Pa，烧结温度为850℃，烧结压力为30MPa，升温速度控制在10℃/min，保温时间为30min；即得到块体Cu-Co-Gr复合材料。所得Cu-Co-Gr复合材料的XRD图谱参见图1中曲线C。

性能测试：

对本对比例所得Cu-Co-Gr复合材料进行致密度、拉伸强度、导电性能及摩擦磨损性能测试，测试方法及测试结果如下：

致密度测试：使用阿基米德排水法测试试样密度，除以理论密度得到相对致密度。

拉伸强度测试：试样尺寸长50mm，宽7mm，厚3mm，拉伸速度0.5mm/min。

导电性能测试：试样尺寸长10mm，宽5mm，厚0.2mm，四端法测试，结果与纯铜比较，用IACS表示。

摩擦磨损性能测试：

1)摩擦方式：往复摩擦

2)载荷：1N

3)对磨副：SiC

4)线速度：3cm/s

5)半径：3mm

6)时间：30min

经测试，本对比例所得试样的致密度为96.3％，拉伸强度为245MPa，比同样烧结条件的纯铜拉伸强度提升了36.1％；其导电性为87.3％IACS，摩擦系数平均为0.35。

以上各实施例及对比例所得复合材料的组成及性能对比数据如表1所示。

表1各实施例及对比例所得复合材料的组成及性能对比数据

对比实施例1和对比例3的数据可见，在其他条件相同的情况下，由于复合材料中Co的含量减少，复合材料的致密度轻微增加，拉伸强度轻微增大，导电性能小幅上升，摩擦系数显著增大，说明复合材料中Co与石墨烯的比例要适当才能达到最佳的综合性能。对比例3中Co的含量为实施例1中Co含量的一半，虽然Co含量少，碳化物的形成量会减少，有利于复合材料强度和导电性的小幅提高(碳化物一般而言导电性差，且硬而脆)，但是Co比例太小，起不到“锚定”石墨烯的作用，从而使复合材料的摩擦系数变大。

对比实施例2和对比例1的数据可见，在其他条件相同的情况下，由于烧结温度的升高，复合材料的致密度升高，拉伸强度提升，导电性能降低，摩擦系数增加，说明烧结温度不是越高越好。虽然较高的烧结温度有助于促进复合材料的致密化，但是，也容易造成复合材料内部石墨烯结构的破坏，从而导致复合材料导电性能和摩擦性能的降低。本发明中最佳的烧结温度区间为800℃～850℃。

参见图2，相比于对比例2、对比例3以及纯铜，本发明实施例1所得复合材料的摩擦性能最好，摩擦周次达到2000次后，其摩擦系数基本保持不变。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种Cu-Co-Gr复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

(1)、通过机械合金化方法在Cu基体中引入过渡金属元素Co，得到Cu-Co预合金粉；

(2)、将石墨烯溶液进行超声震荡分散，然后加入步骤(1)所得Cu-Co预合金粉，球磨、取出料浆烘干，得Cu-Co-Gr复合材料粉体；

(3)、将步骤(2)所得Cu-Co-Gr复合材料粉体进行预压成型，然后进行高真空热压烧结，即得所述Cu-Co-Gr复合材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述Cu-Co-Gr复合材料粉体中石墨烯的质量分数小于0.5％，Co的质量分数为0.4％～0.5％。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述Cu-Co-Gr复合材料粉体中Co和Gr的原子摩尔比为1:2～1:3。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述预压成型的压力为2MPa～5MPa，所述高真空热压烧结的真空度控制在0.1Pa以下，烧结温度为800℃～850℃，烧结保温时间控制在30min～60min，烧结压力控制在20MPa～30MPa。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述石墨烯溶液通过如下方法制备得到：

先将聚乙烯吡咯烷酮加入到无水乙醇中搅拌直至完全溶解，然后加入适量的石墨烯搅拌，再使用超声震荡分散，即得，其中，搅拌时间为10min～30min，超声频率为40kHz，分散时间为1h～2h。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述石墨烯溶液中石墨烯的质量浓度为0.3％～0.5％，所述石墨烯溶液中聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度为3％～5％。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述烘干的温度为60℃～80℃，烘干时间控制在10h～20h。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述通过机械合金化方法在Cu基体中引入过渡金属元素Co具体是指：

将Cu粉和Co粉加入行星球磨机中，在转速为500rpm～600rpm，球料比为5:1～6:1条件下，使用硬质合金球磨罐和硬质合金磨球，注入氩气保护进行干法球磨，球磨时间控制在24h～48h。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述球磨操作具体是指：

将石墨烯溶液和Cu-Co预合金粉加入行星球磨机中，在转速为200rpm～300rpm、球料比为2:1～3:1条件下，使用玛瑙球磨罐和玛瑙磨球，注入氩气保护进行球磨，球磨时间控制在4h～5h。

10.一种Cu-Co-Gr复合材料，其特征在于，所述Cu-Co-Gr复合材料通过权利要求1～9中任一项所述的制备方法制备得到。