CN110042344A - 一种高导高强石墨烯铜基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了复合材料技术领域的一种高导高强石墨烯铜基复合材料及其制备方法，旨在解决现有技术中需预先制备石墨烯造成生产效率低，石墨烯与铜直接复合后界面结合差且易出现裂纹、复合过程中石墨烯存在烧损和团聚的技术问题。本发明所述方法包括对铜基体的表面进行预处理，获得纳米晶表面；采用离子注入法将碳注入到铜基体表面，在铜基体表面得到碳的过饱和固溶体；将铜基体多次叠加或多次对折，通过压力成型的方法得到层状结构的铜基材料；将铜基材料加工成零件后进行再结晶退火处理。本发明所述方法无需预先制备石墨烯，石墨烯在基体中原位生长，提高了生产效率；石墨烯烧损少，且分散效果好，提高了铜基材料的综合性能。

Description

一种高导高强石墨烯铜基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种高导高强石墨烯铜基复合材料及其制备方法。
背景技术
铜及铜合金因为良好的导电导热和加工性能使其在汽车、航空航天和电子领域具有广泛的应用前景，但是由于铜强度较低，使用过程中易出现折断现象。因此，研发具有优良导电导热性能同时还具有高强度的铜基复合材料成为目前亟需解决的问题。近年来，基于石墨烯所特有的电学、光学和机械特性，特别是较高的载流子迁移率，研究者尝试将石墨烯作为铜基复合材料的增强体，所得到的复合材料不仅同时兼备了铜基体的高强度、导电性、导热性、耐烧蚀性以及抗氧化性等优异性能，还具有石墨的耐腐蚀性、自润滑性以及电热导等性能，在轨道交通、航天航空、军事、太阳能、机械等领域有广泛的应用。现有技术中制备铜基复合材料的方法主要是将预先制备好的石墨烯与铜粉或铜片经烧结或者层压方法进行复合，然而这些方法在制备复合材料过程中存在以下问题：1）需预先制备石墨烯，生产效率较低；2）铜与石墨烯硬度存在明显差异，压力成形过程中在两者界面处易出现裂纹，同时两者润湿性差，界面结合性能差；3）石墨烯在复合过程中存在烧损或团聚等问题。因此，如何解决这些问题，获得性能优异的石墨烯铜基复合材料是目前需解决的一个重要问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高导高强石墨烯铜基复合材料及其制备方法，以解决现有技术中需预先制备石墨烯造成生产效率低，石墨烯与铜直接复合后界面结合差且易出现裂纹、复合过程中石墨烯存在烧损和团聚的技术问题。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种高导高强石墨烯铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：对铜基体的表面进行预处理，获得纳米晶表面；采用离子注入法将碳注入到铜基体表面，在铜基体表面得到碳的过饱和固溶体；将铜基体多次叠加或多次对折，通过压力成型的方法得到层状结构的铜基材料；将铜基材料加工成零件后进行再结晶退火处理。
所述预处理的方法包括研磨、喷丸处理。
所述纳米晶的晶粒尺寸为10~300nm。
所述离子注入法的参数包括碳原子的剂量为1.5×1012~1×1020cm-2，电压为40~50kv。
所述压力成型的方法包括轧制、挤压、旋压、锻造。
所述压力成型在真空环境或在保护气中进行。
所述保护气包括氩气、氮气。
所述再结晶退火的温度为350~600℃。
石墨烯铜基复合材料的铜基体为纯铜或铜合金，增强体为石墨烯，形成铜-石墨烯-铜的层状结构，石墨烯层厚度为0.4nm~8nm。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
（1）本发明所述方法无需预先制备石墨烯，石墨烯在基体中原位生长，提高了生产效率；
（2）本发明所述方法中的石墨烯通过最终的再结晶退火工艺获得，因而不参与之前的基体成形过程，复合材料制备过程中石墨烯烧损少，且分散效果好；
（3）本发明所述方法中石墨烯不参与铜基材料的成形过程，避免了因铜与石墨烯之间因性能差异引起的裂纹，润湿性差，界面结合性能差等界面问题，同时原位生长的石墨烯较好地填充了铜基材料在多层叠加或多次对折后预留的间隙，形成了铜-石墨烯-铜这种结构的复合材料，提高了铜基材料的综合性能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种高导高强石墨烯铜基复合材料及其制备方法的工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，高导高强石墨烯铜基复合材料的制备方法，包括以下工艺步骤：首先对纯铜或铜合金等铜基体的表面进行预处理，即使用机械方法如研磨或喷丸处理等，在铜基体表面获得纳米晶表面；纳米晶表面可以增加表面的晶界和缺陷数量，提高碳在铜表面的溶解度和扩散系数，之后通过离子注入法在铜表面获得过碳的过饱和固溶体，解决碳在铜基体中溶解度过低的问题；将表面形成过饱和固溶体的铜基体多次叠加或多次对折后，再通过轧制、挤压、旋压或锻造等压力成型的方法得到层状结构的铜基材料；将铜基材料加工成零件后进行再结晶退火处理。再结晶退火的目的是减少晶界和缺陷数量，促进碳从铜基体中原位析出，从而实现石墨烯在基体中的原位生长。该方法无需预先制备石墨烯，提高了生产效率；石墨烯通过最终的再结晶退火工艺获得，因而复合材料制备过程中石墨烯烧损少，且分散效果好；石墨烯不参与铜基材料的成形过程，避免了因铜与石墨烯之间因性能差异引起的裂纹，润湿性差，界面结合性能差等界面问题，同时原位生长的石墨烯较好地填充了铜基材料在多层叠加或多次对折后预留的间隙，形成了铜-石墨烯-铜这种结构的复合材料，提高了铜基材料的综合性能。
下面结合具体的实施例进一步说明本发明所述高导高强石墨烯铜基复合材料及其制备方法。
实施例1：
S1：对0.5mm厚的纯铜片表面进行喷丸处理获得表面纳米晶组织，晶粒尺寸为10nm；
S2：采用离子注入法将碳注入到步骤S1所获得的纯铜表面，注入剂量为1.5×1012cm-2，所用电压为40kv，时间为2h；
S3：将步骤S2所制得的铜片进行叠加3层后在真空环境中轧制成板材；
S4：将步骤S3得到的板材加工成零件后在温度为350℃的环境中退火4h，获得层状结构的复合材料零件，其中石墨烯层的厚度为0.4nm。
实施例2：
S1：对70µm厚的纯铜箔表面进行机械研磨后获得表面纳米晶组织，晶粒尺寸为150nm；
S2：采用离子注入法将碳注入到步骤S1所获得的铜箔表面，注入剂量为1×1018cm-2，所用电压为45kv，时间为2.5h；
S3：将步骤S2所制得的铜箔对折后在氩气环境中轧制成薄片；
S4：将步骤S3得到的板材加工成零件后在温度为380℃的环境中退火6h，获得层状结构的复合材料零件，其中石墨烯层的厚度为2nm。
实施例3：
S1：对0.3mm厚的H96黄铜薄片表面进行机械研磨后获得表面纳米晶组织，晶粒尺寸为200nm；
S2：采用离子注入法将碳注入到步骤S1所获得的黄铜表面，注入剂量为1×1019cm-2，所用电压为50kv，时间为3h；
S3：将步骤S2所制得的黄铜薄片对折后在氮气环境中旋压成铜管；
S4：将步骤S3得到的管材加工成零件后在温度为400℃的环境中退火4h，获得层状结构的复合材料零件，其中石墨烯层的厚度为5nm。
实施例4：
S1：对0.5mm厚的H68黄铜片表面进行喷丸处理后获得表面纳米晶组织，晶粒尺寸为300nm；
S2：采用离子注入法将碳注入到步骤S1所获得的黄铜表面，注入剂量为1×1020cm-2，所用电压为50kv，时间为5h；
S3：将步骤S2所制得的黄铜片叠加3层后在氩气环境中轧制为板材；
S4：将步骤S3得到的板材加工成零件后在温度为600℃的环境中退火4h，获得层状结构的复合材料零件，其中石墨烯层的厚度为8nm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高导高强石墨烯铜基复合材料的制备方法，其特征是，包括以下步骤：
对铜基体的表面进行预处理，获得纳米晶表面；
采用离子注入法将碳注入到铜基体表面，在铜基体表面得到碳的过饱和固溶体；
将铜基体多次叠加或多次对折，通过压力成型的方法得到层状结构的铜基材料；
将铜基材料加工成零件后进行再结晶退火处理。
2.根据权利要求1所述的高导高强石墨烯铜基复合材料的制备方法，其特征是，所述预处理的方法包括研磨、喷丸处理。
3.根据权利要求1所述的高导高强石墨烯铜基复合材料的制备方法，其特征是，所述纳米晶的晶粒尺寸为10~300nm。
4.根据权利要求1所述的高导高强石墨烯铜基复合材料的制备方法，其特征是，所述离子注入法的参数包括碳原子的剂量为1.5×1012~1×1020cm-2，电压为40~50kv。
5.根据权利要求1所述的高导高强石墨烯铜基复合材料的制备方法，其特征是，所述压力成型的方法包括轧制、挤压、旋压、锻造。
6.根据权利要求1所述的高导高强石墨烯铜基复合材料的制备方法，其特征是，所述压力成型在真空环境或在保护气中进行。
7.根据权利要求6所述的高导高强石墨烯铜基复合材料的制备方法，其特征是，所述保护气包括氩气、氮气。
8.根据权利要求1所述的高导高强石墨烯铜基复合材料的制备方法，其特征是，所述再结晶退火的温度为350~600℃。
9.一种根据权利要求1~8任一项所述方法制备的高导高强石墨烯铜基复合材料，其特征是，石墨烯铜基复合材料的铜基体为纯铜或铜合金，增强体为石墨烯，形成铜-石墨烯-铜的层状结构，石墨烯层厚度为0.4nm~8nm。
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