CN109332705B - 石墨烯改性铜-钼-铜复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯改性铜‑钼‑铜复合材料及其制备方法，石墨烯改性铜‑钼‑铜复合材料的铜层中含有质量分数为0.05～0.5%的石墨烯，石墨烯以表面化学镀铜的形式加入。制备方法包括如下步骤：在石墨烯的表面化学镀铜，烘干后获得镀铜石墨烯粉末；将纯铜粉和镀铜石墨烯粉末混合均匀后，轧制成片状的铜生坯；在纯钼片的上下表面各放一层铜生坯，然后烧结成型，随炉冷却后获得铜‑钼‑铜复合烧结坯；将铜‑钼‑铜复合烧结坯进行双衬板热轧成型，得到铜‑钼‑铜复合终轧坯；将铜‑钼‑铜复合终轧坯去应力退火，获得石墨烯改性铜‑钼‑铜复合材料。该石墨烯改性铜‑钼‑铜复合材料在保持高导电性能的基础上，显著提高了强度和导热性能。

Description

石墨烯改性铜-钼-铜复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铜-钼-铜复合材料，特别涉及一种石墨烯改性铜-钼-铜复合材料。本发明还涉及一种石墨烯改性铜-钼-铜复合材料的制备方法，属于金属复合材料技术领域。
背景技术
具有三明治结构的铜-钼-铜复合材料具有膨胀系数和热导率可设计性等优点，并能与氧化铍、三氧化二铝陶瓷匹配，是目前半导体大功率电子元器件首选的电子封装材料。该类材料由两面相对高导热的铜和中间低导热的纯钼复合而成。作为封装材料，主要散热方式是依靠纵向传导散热，即沿材料的厚度方向导热，将承载其上的芯片等电子元器件的热量导出散热，即芯片将热量传导给封装里层的铜层，经钼层再通过最外层的铜层向外散热。
有研究表明，如果热导率提高10%，芯片功率密度可相应提高10%。因此，如果能提高电子封装材料的导热性能，则可以实现器件的小型化和高功率。然而，由于纯铜的强度较低，容易发生变形，且铜-钼-铜复合材料的热导率限制了其在更大功率密度芯片封装上使用。此外，目前常用的制备铜-钼-铜复合材料的手段是在低于铜熔点温度下固相烧结成型，或扩散焊接成型。如中国发明专利（CN102527747A）公布了一种铜钼铜层状复合材料的制备方法，该方法将厚度一定的铜片和钼片堆叠后在850～1050℃和一定压力下烧结成型，利用压力将高温软化下的铜压入钼表面的沟壑中，得到良好的复合界面。
中国发明专利（CN102941441A）公布了一种高结合强度高精度铜-钼-铜叠层复合材料制备方法，该方法首先扩散焊接铜、钼、铜三组元材料（扩散焊温度800～1000℃，扩散焊压力8～20MPa），使叠层之间存在较紧密的面约束，后冷轧，从而达到进一步增加层与层之间的结合强度的目的。
利用上述方法或其它方法制备的铜-钼-铜复合材料不可避免都存在纯铜层强度较低、整体导热系数有待进一步提高等问题，无法满足更大功率密度元器件的封装要求。
石墨烯具有高强度、高导热率、高导电率等优点，可作为增强体添加到镍、铝、镁、铜等金属和合金中，来提高复合材料的性能。如《石墨烯增强铜基复合材料的制备和性能研究》（姚龙辉，哈尔滨理工大学硕士学位论文，2017）中报道采用高能球磨法使得石墨烯分散在铜基体中，热压烧结制备了石墨烯增强铜基复合材料，研究发现当石墨烯含量为0.5%质量分数时，复合材料的抗拉强度提高了28%，导热系数提高了33.8%。然而，石墨烯与金属的润湿性较差且分散相对困难，使得石墨烯增强体与基体界面结合性较差且石墨烯容易发生团聚，从而限制了其对复合材料性能提高的空间。石墨烯表面包覆金属过渡层是解决上述问题的一种有效方法，王红勋等在《三维石墨烯表面化学镀Cu改性工艺研究》（沈阳理工大学学报，2017，36(2):78-83）中采用次磷酸钠体系化学镀铜对三维石墨烯表面进行了改性处理，但石墨烯表面铜的沉积速率较慢，低于3nm/h。因此，如何提高石墨烯与基体的结合强度，并使之在基体中均匀分散，充分发挥其高强度、高导热率、高导电率等优势，以满足半导体大功率元器件的应用要求，是本发明解决的主要问题。
发明内容
本发明的首要目的在于，解决现有技术中存在的不足，提供一种石墨烯改性铜-钼-铜复合材料，在保持高导电性能的基础上，显著提高了复合材料的强度和导热性能。
为解决以上技术问题，本发明的石墨烯改性铜-钼-铜复合材料，铜层中含有质量分数为0.05～0.5%的石墨烯，石墨烯以表面化学镀铜的形式加入。
相对于现有技术，本发明取得了以下有益效果：单纯的石墨烯因密度等问题，在铜粉中难以混合均匀，容易发生团聚，影响产品的性能；本发明先在石墨烯的表面进行化学镀铜，改善了石墨烯外表面与铜的浸润性，在与铜粉机械混合时容易实现均匀分散的效果，并且改善了石墨烯与铜层的结合性能，还增加了铜与钼层之间界面的结合强度，界面处不容易产生裂纹。利用石墨烯的高强度、高导热率、高导电率性能，铜-钼-铜复合材料中加入少量均匀分散的石墨烯后，本发明的复合材料厚度方向电导率可以达到16.9～18.7m/(Ω·mm²)，与相同结构未加石墨烯的铜-钼-铜相比，电导率变化率为-9.4～2.1%；本发明复合材料抗弯强度可以达到498～720MPa，与相同结构未加石墨烯的铜-钼-铜相比，抗弯强度提高了6.2%～32.6%；本发明复合材料厚度方向的热导率可以达到278～325W/(m·K），与相同结构未加石墨烯的铜-钼-铜相比，厚度方向的热导率提高了5.0%～20.9%。可以看出本发明的复合材料在厚度方向保持高导电性能的基础上，显著提高了抗弯强度和厚度方向的热导率。
作为本发明的优选方案，铜层中含有质量分数为0.2～0.4%的石墨烯。本发明的铜-钼-铜复合材料在厚度方向电导率可以达到17.4～17.8m/(Ω·mm²)，与相同结构未加石墨烯的铜-钼-铜相比，电导率变化率为-6.3～-1.7%；本发明复合材料抗弯强度可以达到669～720MPa，与相同结构未加石墨烯的铜-钼-铜相比，抗弯强度提高了28.0%～32.6%；本发明复合材料厚度方向的热导率可以达到307～325W/(m·K），与相同结构未加石墨烯的铜-钼-铜相比，厚度方向的热导率提高了14.0%～20.9%%；在厚度方向保持高导电性能的基础上，显著提高了抗弯强度和厚度方向的热导率。
本发明的另一个目的在于，提供一种石墨烯改性铜-钼-铜复合材料的制备方法，该方法制造而成的铜-钼-铜复合材料，在保持高导电性能的基础上，显著提高了复合材料的强度和导热性能。
为解决以上技术问题，本发明的石墨烯改性铜-钼-铜复合材料的制备方法，依次包括如下步骤：⑴在石墨烯的表面化学镀铜，烘干后获得镀铜石墨烯粉末；⑵将纯铜粉和镀铜石墨烯粉末混合均匀后，轧制成片状的铜生坯；⑶在纯钼片的上下表面各放一层铜生坯，然后烧结成型，随炉冷却后获得铜-钼-铜复合烧结坯；⑷将铜-钼-铜复合烧结坯进行双衬板热轧成型，总厚度变形量控制在30～40%，得到铜-钼-铜复合终轧坯；⑸将铜-钼-铜复合终轧坯去应力退火，获得石墨烯改性铜-钼-铜复合材料。
相对于现有技术，本发明取得了以下有益效果：①单纯的石墨烯因密度等问题，在铜粉中难以混合均匀，容易发生团聚，影响产品的性能；本发明先在石墨烯的表面进行化学镀铜，改善了石墨烯外表面与铜的浸润性，在与铜粉机械混合时容易实现均匀分散的效果。②石墨烯表面镀铜后，改善了石墨烯与铜层的结合性能，还增加了铜层与钼层之间界面的结合强度。③由于铜层和钼层材料变形性能不同，铜与钼层之间塑性变形不均易在界面处产生裂纹；本发明采用双衬板轧制技术对含有石墨烯的铜-钼-铜进行热轧加工，并严格控制变形量，一方面可进一步提高铜与钼层之间的界面结合强度，另一方面将轧辊和被加工材料之间的剪切应力转化为压应力，可实现各层相对均匀变形，有效控制各层的厚度。④本发明利用石墨烯的高强度、高导热率、高导电率性能，通过在石墨烯的表面化学镀铜等手段实现石墨烯在铜-钼-铜复合材料中均匀分散，在厚度方向保持高导电性能的基础上，显著提高了抗弯强度和热导率。
作为本发明的优选方案，步骤⑴中利用敏化剂和活化剂对石墨烯进行敏化、活化预处理后，在次磷酸钠溶液体系中获得表面均匀镀铜的石墨烯，所述次磷酸钠溶液体系包括硫酸铜15g/L、硫酸镍1g/L、次磷酸钠35g/L、柠檬酸钠10g/L、硼酸20g/L和氢氧化钠，且溶液初始pH值为12.5。次磷酸钠溶液体系中硫酸铜作为主盐，提供铜离子；硫酸镍作为催化剂，催化次磷酸钠还原铜离子；次磷酸钠作为还原剂；柠檬酸钠作为络合剂，可以提高铜镀层的沉积质量；硼酸作为催化剂，可以提高铜的沉积速率，氢氧化钠将溶液初始pH值调整为12.5，既可以提高次磷酸钠的还原活性，还可以抑制次磷酸钠镀铜体系中的负反应。
作为本发明进一步的优选方案，步骤⑴中将装有次磷酸钠溶液体系的容器置于超声振动机中，并在容器两侧平行放置两个电磁铁，次磷酸钠溶液体系的温度为60～85℃，所述超声振动机的超声频率为50～80kHz，超声功率密度为2.0W/cm²～5.0W/cm²，所述磁场的强度为0.5～1.5T。超声-电磁场-热外加条件及其参数的控制可改善石墨烯在溶液体系中的分散性、显著提高石墨烯表面化学镀铜的效率，沉积速率快，在2小时内即可获得厚度为20～30nm的致密铜包覆层，从而明显改善了石墨烯与基体铜的结合，实现了镀铜石墨烯粉在铜粉中的均匀分散，进一步解决了石墨烯容易团聚、不易分散的问题。
作为本发明进一步的优选方案，步骤⑵中采用机械混合的方式将将镀铜石墨烯粉末和纯铜粉混合均匀，然后利用粉末轧机将混合粉末轧制成铜生坯；铜生坯中含有石墨烯的质量分数为0.05～0.5%，其余为铜。本发明的铜-钼-铜复合材料在厚度方向电导率可以达到16.9～18.7m/(Ω·mm²)，与相同结构未加石墨烯的铜-钼-铜相比，电导率变化率为-9.4～2.1%；本发明复合材料抗弯强度可以达到498～720MPa，与相同结构未加石墨烯的铜-钼-铜相比，抗弯强度提高了6.2%～32.6%；本发明复合材料厚度方向的热导率可以达到278～325W/(m·K），与相同结构未加石墨烯的铜-钼-铜相比，厚度方向的热导率提高了5.0%～20.9%；在厚度方向保持高导电性能的基础上，显著提高了抗弯强度和厚度方向的热导率。
作为本发明进一步的优选方案，步骤⑴中石墨烯外周镀铜层的厚度为20～30nm，步骤⑵的铜生坯中含有质量分数为0.2～0.4%的石墨烯。镀铜层的厚度为20～30nm可确保石墨烯被完全包覆，且可以在2小时内即可获得，石墨烯表面铜的沉积速率快，效率高。该配方下的铜-钼-铜复合材料在厚度方向电导率可以达到17.4～17.8m/(Ω·mm²)，与相同结构未加石墨烯的铜-钼-铜相比，电导率变化率为-6.3～-1.7%；本发明复合材料抗弯强度可以达到669～720MPa，与相同结构未加石墨烯的铜-钼-铜相比，抗弯强度提高了28.0%～32.6%；本发明复合材料厚度方向的热导率可以达到307～325W/(m·K），与相同结构未加石墨烯的铜-钼-铜相比，厚度方向的热导率提高了14.0%～20.9%%；在厚度方向保持高导电性能的基础上，显著提高了抗弯强度和厚度方向的热导率。
作为本发明进一步的优选方案，步骤⑶中铜-钼-铜在氢气保护气氛中烧结成型，升温速率为300～400℃/h，烧结温度均为1070～1080℃，保温时间均为0.5～1小时。步骤⑶的铜-钼-铜在略低于铜熔点的温度下烧结，可以获得致密度较高的复合层烧结坯，铜层与钼层之间具有一定的冶金结合，石墨烯与铜具有良好的冶金结合，升温速率控制在300～400℃/h下，有利于烧结过程中气泡的排出，提高烧结坯的致密度；铜-钼-铜的烧结温度如果超过铜的熔点会导致铜层流动或塌陷明显，不好控制铜层厚度的均匀性。
作为本发明进一步的优选方案，步骤⑸中铜-钼-铜复合终轧坯的退火升温速率为150～200℃/h，退火温度为400～500℃，保温时间为1～2小时。退火后可彻底消除该复合材料三明治结构的内应力，与半导体大功率器件结合后，可避免因应力变形造成管脚松动，确保与半导体大功率器件接触紧密，保持良好的导电及导热性能。
作为本发明进一步的优选方案，步骤⑶在烧结前，铜生坯的长度为纯钼片长度的1.1倍，铜生坯的宽度为纯钼片宽度的1.1倍，各层厚度比例为铜：钼：铜=1：1：1；步骤⑷中双衬板热轧的温度为550～600℃，轧制道次为1次或2次。基于铜与钼的收缩率不同，铜生坯的长、宽均大于纯钼片的长、宽，以确保钼层边缘都能被铜覆盖；在550～600℃下进行双衬板热轧，一方面可进一步提高铜与钼层之间的界面结合强度，另一方面将轧辊和被加工材料之间的剪切应力转化为压应力，可实现各层相对均匀变形，避免产生界面裂纹；且分1次或2次将总厚度变形量达到30～40%，有利于使各层的变形更加均匀，且进一步提高各层之间的界面结合强度。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，附图仅提供参考与说明用，非用以限制本发明。
图1为本发明实施例一的金相图。
图2为本发明实施例二的金相图。
图3为本发明实施例三的金相图。
图4为本发明实施例四的金相图一。
图5为本发明实施例四的金相图二。
图6为本发明实施例五的金相图。
图7为本发明实施例六的金相图。
具体实施方式
实施例一
本发明的石墨烯改性铜-钼-铜复合材料的制备方法，依次包括如下步骤：⑴石墨烯粉末的表面化学镀铜：利用敏化剂和活化剂对石墨烯进行敏化、活化预处理后，在次磷酸钠溶液体系中获得表面均匀镀铜的石墨烯，次磷酸钠溶液体系包括硫酸铜15g/L、硫酸镍1g/L、次磷酸钠35g/L、柠檬酸钠10g/L、硼酸20g/L和氢氧化钠，且溶液初始pH值为12.5；次磷酸钠溶液体系的容器置于超声振动机中，并在容器两侧平行放置两个电磁铁，次磷酸钠溶液体系的温度为60℃，超声振动机的超声频率为50kHz，超声功率密度为2.0W/cm²，磁场的强度为0.5T；烘干后获得镀铜石墨烯粉末，石墨烯外周镀铜层的厚度为20nm。
⑵铜生坯成型：采用机械混合方式，将纯铜粉与镀铜石墨烯粉末混合均匀，其中含有石墨烯的质量分数为0.05%，其余为铜；利用粉末轧机将含有石墨烯的铜粉轧制成片状的铜生坯；
⑶在纯钼片的上下表面各放一层步骤⑵含有石墨烯的铜生坯，铜生坯的长度为纯钼片长度的1.1倍，铜生坯的宽度为纯钼片宽度的1.1倍，各层厚度比例为铜：钼：铜=1：1：1；然后在氢气保护气氛中烧结成型，升温速率为300℃/h，烧结温度均为1070℃，保温时间均为0.5小时，随炉冷却后获得铜-钼-铜复合烧结坯；
⑷将铜-钼-铜复合烧结坯进行双衬板热轧，热轧的温度为550℃，轧制1道次，总厚度变形量控制在30%，热轧成型后得到铜-钼-铜复合终轧坯；
⑸将铜-钼-铜复合终轧坯去应力退火，退火升温速率为150℃/h，退火温度为400℃，保温时间为2小时，随炉冷却后获得石墨烯改性铜-钼-铜复合材料，如图1所示。
实施例二
本发明的石墨烯改性铜-钼-铜复合材料的制备方法，依次包括如下步骤：⑴石墨烯粉末的表面化学镀铜：利用敏化剂和活化剂对石墨烯进行敏化、活化预处理后，在次磷酸钠溶液体系中获得表面均匀镀铜的石墨烯，次磷酸钠溶液体系包括硫酸铜15g/L、硫酸镍1g/L、次磷酸钠35g/L、柠檬酸钠10g/L、硼酸20g/L和氢氧化钠，且溶液初始pH值为12.5；次磷酸钠溶液体系的容器置于超声振动机中，并在容器两侧平行放置两个电磁铁，次磷酸钠溶液体系的温度为60℃，超声振动机的超声频率为50kHz，超声功率密度为2.0W/cm²，磁场的强度为0.5T；烘干后获得镀铜石墨烯粉末，石墨烯外周镀铜层的厚度为20nm。
⑵铜生坯成型：采用机械混合方式，将纯铜粉与镀铜石墨烯粉末混合均匀，其中含有石墨烯的质量分数为0.1%，其余为铜；利用粉末轧机将含有石墨烯的铜粉轧制成片状的铜生坯；
⑶在纯钼片的上下表面各放一层步骤⑵含有石墨烯的铜生坯，铜生坯的长度为纯钼片长度的1.1倍，铜生坯的宽度为纯钼片宽度的1.1倍，各层厚度比例为铜：钼：铜=1：1：1；然后在氢气保护气氛中烧结成型，升温速率为300℃/h，烧结温度均为1070℃，保温时间均为0.5小时，随炉冷却后获得铜-钼-铜复合烧结坯；
⑷将铜-钼-铜复合烧结坯进行双衬板热轧，热轧的温度为550℃，轧制1道次，总厚度变形量控制在30%，热轧成型后得到铜-钼-铜复合终轧坯；
⑸将铜-钼-铜复合终轧坯去应力退火，退火升温速率为150℃/h，退火温度为400℃，保温时间为2小时，随炉冷却后获得石墨烯改性铜-钼-铜复合材料，如图2所示。
实施例三
本发明的石墨烯改性铜-钼-铜复合材料的制备方法，依次包括如下步骤：⑴石墨烯粉末的表面化学镀铜：利用敏化剂和活化剂对石墨烯进行敏化、活化预处理后，在次磷酸钠溶液体系中获得表面均匀镀铜的石墨烯，次磷酸钠溶液体系包括硫酸铜15g/L、硫酸镍1g/L、次磷酸钠35g/L、柠檬酸钠10g/L、硼酸20g/L和氢氧化钠，且溶液初始pH值为12.5；次磷酸钠溶液体系的容器置于超声振动机中，并在容器两侧平行放置两个电磁铁，次磷酸钠溶液体系的温度为75℃，超声振动机的超声频率为65kHz，超声功率密度为3.5W/cm²，磁场的强度为1T；烘干后获得镀铜石墨烯粉末，石墨烯外周镀铜层的厚度为25nm。
⑵铜生坯成型：采用机械混合方式，将纯铜粉与镀铜石墨烯粉末混合均匀，其中含有石墨烯的质量分数为0.2%，其余为铜；利用粉末轧机将含有石墨烯的铜粉轧制成片状的铜生坯；
⑶在纯钼片的上下表面各放一层步骤⑵含有石墨烯的铜生坯，铜生坯的长度为纯钼片长度的1.1倍，铜生坯的宽度为纯钼片宽度的1.1倍，各层厚度比例为铜：钼：铜=1：1：1；然后在氢气保护气氛中烧结成型，升温速率为350℃/h，烧结温度均为1075℃，保温时间均为0.75小时，随炉冷却后获得铜-钼-铜复合烧结坯；
⑷将铜-钼-铜复合烧结坯进行双衬板热轧，热轧的温度为580℃，轧制2道次，总厚度变形量控制在35%，热轧成型后得到铜-钼-铜复合终轧坯；
⑸将铜-钼-铜复合终轧坯去应力退火，退火升温速率为180℃/h，退火温度为450℃，保温时间为1.5小时，随炉冷却后获得石墨烯改性铜-钼-铜复合材料，如图3所示。
实施例四
本发明的石墨烯改性铜-钼-铜复合材料的制备方法，依次包括如下步骤：⑴石墨烯粉末的表面化学镀铜：利用敏化剂和活化剂对石墨烯进行敏化、活化预处理后，在次磷酸钠溶液体系中获得表面均匀镀铜的石墨烯，次磷酸钠溶液体系包括硫酸铜15g/L、硫酸镍1g/L、次磷酸钠35g/L、柠檬酸钠10g/L、硼酸20g/L和氢氧化钠，且溶液初始pH值为12.5；次磷酸钠溶液体系的容器置于超声振动机中，并在容器两侧平行放置两个电磁铁，次磷酸钠溶液体系的温度为75℃，超声振动机的超声频率为65kHz，超声功率密度为3.5W/cm²，磁场的强度为1T；烘干后获得镀铜石墨烯粉末，石墨烯外周镀铜层的厚度为25nm。
⑵铜生坯成型：采用机械混合方式，将纯铜粉与镀铜石墨烯粉末混合均匀，其中含有石墨烯的质量分数为0.3%，其余为铜；利用粉末轧机将含有石墨烯的铜粉轧制成片状的铜生坯；
⑶在纯钼片的上下表面各放一层步骤⑵含有石墨烯的铜生坯，铜生坯的长度为纯钼片长度的1.1倍，铜生坯的宽度为纯钼片宽度的1.1倍，各层厚度比例为铜：钼：铜=1：1：1；然后在氢气保护气氛中烧结成型，升温速率为350℃/h，烧结温度均为1075℃，保温时间均为0.75小时，随炉冷却后获得铜-钼-铜复合烧结坯；
⑷将铜-钼-铜复合烧结坯进行双衬板热轧，热轧的温度为580℃，轧制2道次，总厚度变形量控制在35%，热轧成型后得到铜-钼-铜复合终轧坯；
⑸将铜-钼-铜复合终轧坯去应力退火，退火升温速率为180℃/h，退火温度为450℃，保温时间为1.5小时，随炉冷却后获得石墨烯改性铜-钼-铜复合材料，如图4、图5所示。
实施例五
本发明的石墨烯改性铜-钼-铜复合材料的制备方法，依次包括如下步骤：⑴石墨烯粉末的表面化学镀铜：利用敏化剂和活化剂对石墨烯进行敏化、活化预处理后，在次磷酸钠溶液体系中获得表面均匀镀铜的石墨烯，次磷酸钠溶液体系包括硫酸铜15g/L、硫酸镍1g/L、次磷酸钠35g/L、柠檬酸钠10g/L、硼酸20g/L和氢氧化钠，且溶液初始pH值为12.5；次磷酸钠溶液体系的容器置于超声振动机中，并在容器两侧平行放置两个电磁铁，次磷酸钠溶液体系的温度为85℃，超声振动机的超声频率为80kHz，超声功率密度为5.0W/cm²，磁场的强度为1.5T；烘干后获得镀铜石墨烯粉末，石墨烯外周镀铜层的厚度为30nm。
⑵铜生坯成型：采用机械混合方式，将纯铜粉与镀铜石墨烯粉末混合均匀，其中含有石墨烯的质量分数为0.4%，其余为铜；利用粉末轧机将含有石墨烯的铜粉轧制成片状的铜生坯；
⑶在纯钼片的上下表面各放一层步骤⑵含有石墨烯的铜生坯，铜生坯的长度为纯钼片长度的1.1倍，铜生坯的宽度为纯钼片宽度的1.1倍，各层厚度比例为铜：钼：铜=1：1：1；然后在氢气保护气氛中烧结成型，升温速率为400℃/h，烧结温度均为1080℃，保温时间均为1小时，随炉冷却后获得铜-钼-铜复合烧结坯；
⑷将铜-钼-铜复合烧结坯进行双衬板热轧，热轧的温度为600℃，轧制2道次，总厚度变形量控制在40%，热轧成型后得到铜-钼-铜复合终轧坯；
⑸将铜-钼-铜复合终轧坯去应力退火，退火升温速率为200℃/h，退火温度为500℃，保温时间为1小时，随炉冷却后获得石墨烯改性铜-钼-铜复合材料，如图6所示。
实施例六
本发明的石墨烯改性铜-钼-铜复合材料的制备方法，依次包括如下步骤：⑴石墨烯粉末的表面化学镀铜：利用敏化剂和活化剂对石墨烯进行敏化、活化预处理后，在次磷酸钠溶液体系中获得表面均匀镀铜的石墨烯，次磷酸钠溶液体系包括硫酸铜15g/L、硫酸镍1g/L、次磷酸钠35g/L、柠檬酸钠10g/L、硼酸20g/L和氢氧化钠，且溶液初始pH值为12.5；次磷酸钠溶液体系的容器置于超声振动机中，并在容器两侧平行放置两个电磁铁，次磷酸钠溶液体系的温度为85℃，超声振动机的超声频率为80kHz，超声功率密度为5.0W/cm²，磁场的强度为1.5T；烘干后获得镀铜石墨烯粉末，石墨烯外周镀铜层的厚度为30nm。
⑵铜生坯成型：采用机械混合方式，将纯铜粉与镀铜石墨烯粉末混合均匀，其中含有石墨烯的质量分数为0.5%，其余为铜；利用粉末轧机将含有石墨烯的铜粉轧制成片状的铜生坯；
⑶在纯钼片的上下表面各放一层步骤⑵含有石墨烯的铜生坯，铜生坯的长度为纯钼片长度的1.1倍，铜生坯的宽度为纯钼片宽度的1.1倍，各层厚度比例为铜：钼：铜=1：1：1；然后在氢气保护气氛中烧结成型，升温速率为400℃/h，烧结温度均为1080℃，保温时间均为1小时，随炉冷却后获得铜-钼-铜复合烧结坯；
⑷将铜-钼-铜复合烧结坯进行双衬板热轧，热轧的温度为600℃，轧制2道次，总厚度变形量控制在40%，热轧成型后得到铜-钼-铜复合终轧坯；
⑸将铜-钼-铜复合终轧坯去应力退火，退火升温速率为200℃/h，退火温度为500℃，保温时间为1小时，随炉冷却后获得石墨烯改性铜-钼-铜复合材料，如图7所示。
实施例一~六、对比例一~六的厚度方向电导率、抗弯强度和厚度方向热导率的测试数据如性能对照表1所示。对比例一~六是在相对应的实施例一~六的基础上不添加石墨烯，其余的结构与条件与相应的实施例相同。
Figure 855221DEST_PATH_IMAGE001
。
从性能对照表1中可以看出，本发明的铜-钼-铜复合材料在厚度方向电导率可以达到16.9～18.7m/(Ω·mm²)，与相同结构未加石墨烯的铜-钼-铜相比，电导率变化率为-9.4～2.1%；本发明复合材料抗弯强度可以达到498～720MPa，与相同结构未加石墨烯的铜-钼-铜相比，抗弯强度提高了6.2%～32.6%；本发明复合材料厚度方向的热导率可以达到278～325W/(m·K），与相同结构未加石墨烯的铜-钼-铜相比，厚度方向的热导率提高了5.0%～20.9%；在厚度方向保持高导电性能的基础上，显著提高了抗弯强度和厚度方向的热导率。
以上所述仅为本发明之较佳可行实施例而已，非因此局限本发明的专利保护范围。除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种石墨烯改性铜-钼-铜复合材料的制备方法，其特征是，依次包括如下步骤：⑴在石墨烯的表面化学镀铜，烘干后获得镀铜石墨烯粉末，石墨烯外周镀铜层的厚度为20～30nm；⑵采用机械混合的方式，将纯铜粉和镀铜石墨烯粉末混合均匀后，利用粉末轧机将混合粉末轧制成片状的铜生坯；铜生坯中含有石墨烯的质量分数为0.2～0.4%，其余为铜；⑶在纯钼片的上下表面各放一层铜生坯，然后烧结成型，随炉冷却后获得铜-钼-铜复合烧结坯；⑷将铜-钼-铜复合烧结坯进行双衬板热轧成型，总厚度变形量控制在30～40%，得到铜-钼-铜复合终轧坯；⑸将铜-钼-铜复合终轧坯去应力退火，获得石墨烯改性铜-钼-铜复合材料。
2.根据权利要求1所述的石墨烯改性铜-钼-铜复合材料的制备方法，其特征是，步骤⑴中利用敏化剂和活化剂对石墨烯进行敏化、活化预处理后，在次磷酸钠溶液体系中获得表面均匀镀铜的石墨烯，所述次磷酸钠溶液体系包括硫酸铜15g/L、硫酸镍1g/L、次磷酸钠35g/L、柠檬酸钠10g/L、硼酸20g/L和氢氧化钠，且溶液初始pH值为12.5。
3.根据权利要求1所述的石墨烯改性铜-钼-铜复合材料的制备方法，其特征是，步骤⑴中将装有次磷酸钠溶液体系的容器置于超声振动机中，并在容器两侧平行放置两个电磁铁，次磷酸钠溶液体系的温度为60～85℃，所述超声振动机的超声频率为50～80kHz，超声功率密度为2.0W/cm²～5.0W/cm²，磁场的强度为0.5～1.5T。
4.根据权利要求1所述的石墨烯改性铜-钼-铜复合材料的制备方法，其特征是，步骤⑶中铜-钼-铜在氢气保护气氛中烧结成型，升温速率为300～400℃/h，烧结温度均为1070～1080℃，保温时间均为0.5～1小时。
5.根据权利要求1所述的石墨烯改性铜-钼-铜复合材料的制备方法，其特征是，步骤⑸中铜-钼-铜复合终轧坯的退火升温速率为150～200℃/h，退火温度为400～500℃，保温时间为1～2小时。
6.根据权利要求1所述的石墨烯改性铜-钼-铜复合材料的制备方法，其特征是，步骤⑶在烧结前，铜生坯的长度为纯钼片长度的1.1倍，铜生坯的宽度为纯钼片宽度的1.1倍，各层厚度比例为铜：钼：铜=1：1：1；步骤⑷中双衬板热轧的温度为550～600℃，轧制道次为1次或2次。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111069611B (zh) * 2019-12-23 2021-07-30 长飞光纤光缆股份有限公司 一种石墨-石墨烯-金属复合材料的制备方法
CN114096118B (zh) * 2021-11-03 2023-05-02 武汉华星光电半导体显示技术有限公司 散热片及其制备方法、电子装置
CN115338375B (zh) * 2022-08-23 2023-11-17 安徽安坤新材科技有限公司 一种铜铝复合板带材料的生产方法
CN115446307B (zh) * 2022-09-22 2023-08-18 长沙升华微电子材料有限公司 一种石墨烯铜复合材料的制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101774020A (zh) * 2010-01-20 2010-07-14 中南大学 一种制备钼铜合金零部件的方法
CN104451227A (zh) * 2014-12-10 2015-03-25 济南大学 镀铜石墨烯增强金属基复合材料的制备方法
CN104962887A (zh) * 2015-05-22 2015-10-07 南京工程学院 表面带微孔结构的纳米化学复合镀层的制备设备及工艺
WO2015155040A1 (en) * 2014-04-09 2015-10-15 Re-Turn As Paints and gelcoats with high cnt content
CN105714139A (zh) * 2016-02-22 2016-06-29 宁波博威合金材料股份有限公司 铜-石墨烯复合材料及其制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101774020A (zh) * 2010-01-20 2010-07-14 中南大学 一种制备钼铜合金零部件的方法
WO2015155040A1 (en) * 2014-04-09 2015-10-15 Re-Turn As Paints and gelcoats with high cnt content
CN104451227A (zh) * 2014-12-10 2015-03-25 济南大学 镀铜石墨烯增强金属基复合材料的制备方法
CN104962887A (zh) * 2015-05-22 2015-10-07 南京工程学院 表面带微孔结构的纳米化学复合镀层的制备设备及工艺
CN105714139A (zh) * 2016-02-22 2016-06-29 宁波博威合金材料股份有限公司 铜-石墨烯复合材料及其制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Cu/Mo/Cu层状复合基板制备及性能研究;徐明琦;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技I辑》;20150215;第B020-116页 *
以次磷酸钠为还原剂的化学镀铜的研究;赵金花;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技I辑》;20200615;第B015-15页 *

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