CN110328959A - 加工铜基-石墨烯复合材料的方法及铜基-石墨烯复合材料 - Google Patents

加工铜基-石墨烯复合材料的方法及铜基-石墨烯复合材料 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种加工铜基‑石墨烯复合材料的方法及铜基‑石墨烯复合材料。该方法包括：在无氧环境内，对铜基‑石墨烯叠层进行热压合处理，所述热压合处理的热压合制度为：压强为20Mpa～50Mpa，热压温度为500℃‑900℃，热压时间为5min～20min，铜基‑石墨烯叠层经过热压合处理后形成一体式结构的铜基‑石墨烯复合材料。经试验验证，由该方法加工而成的铜基‑石墨烯复合材料具有高导电率和优质的力学性能。

Description

加工铜基-石墨烯复合材料的方法及铜基-石墨烯复合材料
技术领域
本申请涉及铜基-石墨烯加工技术领域，具体而言，涉及一种加工铜基石墨烯复合材料铜基石墨烯复合材料的方法及铜基石墨烯复合材料。
背景技术
石墨烯是sp2杂化碳原子紧密堆积成的单层二维蜂窝状晶格结构的碳质材料，石墨烯具有优异的综合性能，抗拉强度为125Gpa，弹性模量为1.0Tpa，热导率为5300W/(m·k)，电子迁移率为2×105cm2(v·s)，因此，石墨烯常作为理想填料用来制备复合材料。
现有技术中，采用化学气相沉积法可以将碳源裂解后在铜箔表面沉积生长形成石墨烯，得到以铜为基底的单层石墨烯复合材料。然而，在实际应用中，为了使铜基-石墨烯复合材料膜具备高导电率和更优的力学性能，需要将采用上述方法制备出的铜基-石墨烯复合材料膜进一步加工。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种加工铜基-石墨烯复合材料的方法及铜基-石墨烯复合材料，该铜基-石墨烯复合材料具备高导电率和较优的力学性能。
具体地，本申请是通过如下技术方案实现的：
一种加工铜基-石墨烯复合材料的方法，包括：
在无氧环境内，对铜基-石墨烯叠层进行热压合处理，所述热压合处理的热压合制度为：压强为20Mpa～50Mpa，热压温度为500℃～900℃，热压时间为5min～20min，铜基-石墨烯叠层经热压合处理后形成一体式结构的铜基-石墨烯复合材料。
可选的，所述对铜基-石墨烯叠层进行热压合处理包括：在热压合过程中，施压机构将铜基-石墨烯叠层与压力保持板同时压合，所述施压机构通过所述压力保持板热压铜基-石墨烯叠层，以增加热压时间。
可选的，所述压力保持板包括链环式压板，所述链环式压板由多块相对活动的子板依次连接形成环形结构，所述链环式压板在热压合过程中从进料侧循环输入所述施压机构与铜基-石墨烯叠层之间。
可选的，所述对铜基-石墨烯叠层进行热压合处理包括：在无氧环境内设置多个用于热压铜基-石墨烯叠层的施压机构，多个所述施压机构共同热压铜基-石墨烯叠层。
可选的，所述对铜基-石墨烯叠层进行热压合处理包括：用于热压铜基-石墨烯叠层的施压机构包括有效热压区域，所述有效热压区域的面积小于所述铜基-石墨烯叠层的面积，热压合时，所述有效热压区域压合于铜基-石墨烯叠层的内部。
可选的，用于加热铜基-石墨烯叠层的加热机构设置于所述施压机构内，所述加热机构所在的区域为所述施压机构的有效热压区域，所述有效热压区域通过隔热材料包围。
可选的，所述对铜基-石墨烯叠层进行热压合处理还包括：在热压合过程中，通过流经于铜基-石墨烯叠层自身的电流将铜基-石墨烯叠层加热至500℃～900℃。
可选的，铜基-石墨烯叠层热压于施压机构与加工平台之间，所述施压机构与所述加工平台均由导电材料制成，且分别与电源的正极和负极连接，当所述施压机构与铜基-石墨烯叠层接触时，连接电源、施压机构、加工平台以及铜基-石墨烯叠层的电连接回路导通，铜基-石墨烯叠层通过流经于自身的电流被加热。
可选的，所述对铜基-石墨烯叠层进行热压合处理还包括：在加热之前向所述无氧环境内通入用于防止铜基-石墨烯叠层氧化的保护性气体。
可选的，所述对铜基-石墨烯叠层进行热压合处理还包括：设置热压间隙为铜基-石墨烯叠层总厚度的80％～99％，所述热压间隙为热压时施压机构与加工平台之间的间隙。
一种铜基-石墨烯复合材料，采用上述任一项所述的方法加工而成，所述铜基-石墨烯复合材料为一体式层叠结构，包括多个铜层和多个石墨烯层，所述铜层与所述石墨烯层交替层叠分布。
可选的，所述每个铜层的厚度为7μm-50μm。
可选的，所述铜基-石墨烯复合材料为带材或片材。
本申请提供的技术方案可以达到以下有益效果：
本申请第一方面提供了一种加工铜基-石墨烯复合材料的方法，该方法包括：在无氧环境下，对铜基-石墨烯叠层进行热压合处理，热压合处理的热压合制度为：压强为20Mpa～50Mpa，热压温度为500℃-900℃，热压时间为5min～20min，铜基-石墨烯叠层经热压合处理后形成一体式结构的铜基-石墨烯复合材料。经试验验证，由该方法加工而成的铜基-石墨烯复合材料具有高导电率和优质的力学性能。
本申请第二方面提供了一种铜基-石墨烯复合材料，该铜基-石墨烯复合材料为一体式结构，铜层和石墨烯层交替层叠，经实验验证，该铜基-石墨烯复合材料具有高导电率和优质的力学性能。
附图说明
图1是本申请一示例性实施例示出的采用压辊加工铜基-石墨烯复合材料的装置的剖视图；
图2是本申请一示例性实施例示出的采用升降压头加工铜基-石墨烯复合材料的装置的剖视图；
图3是本申请一示例性实施例示出的采用压辊加工铜基-石墨烯复合材料的方法的流程图；
图4是本申请一示例性实施例示出的采用升降压头加工铜基-石墨烯复合材料的方法的流程图；
图5是本申请示出的铜基-石墨烯复合材料的示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示两个及两个以上。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”、“顶部”、“底部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
本申请提供了一种加工铜基-石墨烯复合材料的方法，包括：在无氧环境内，对铜基-石墨烯叠层进行热压合处理，热压合处理的热压合制度为：压强为20Mpa～50Mpa，热压温度为500℃-900℃，热压时间为5min～20min，铜基-石墨烯叠层经过热压合处理后形成一体式结构的铜基-石墨烯复合材料。
需要说明，这里所说的“无氧”不是绝对意义上的无氧，而是含氧量低于规定值，对铜基-石墨烯叠层中铜基底造成的氧化可以忽略不计。
铜基-石墨烯叠层包括多层重叠放置的铜基-石墨烯膜层，铜基-石墨烯膜层可以通过化学气相沉积的方法制备得到。选用的铜基底的厚度不同，则制备出的铜基-石墨烯膜层的厚度不同。铜基底厚度可以在7μm～50μm之间选取，在铜基底生长的石墨烯的厚度约为1nm。
进行热压合的铜基-石墨烯叠层的层数不限，可以根据实际需求选择。例如，可以分别将20层、60层、80层或100层的铜基-石墨烯膜热压合在一起。
铜基-石墨烯叠层可以选用带材，当铜基-石墨烯叠层为带材时，在热压合过程中，可以通过放卷辊放料，通过输送辊输送，热压合后的铜基-石墨烯复合材料再通过收卷辊收卷，形成连续的流水线加工模式，提高加工效率。当然，铜基-石墨烯膜也可以是片材等。
下面对热压合处理后的铜基-石墨烯复合材料的导电率和力学性能进行实验验证。实验数据请详见表1～表5。其中，表1～表4为各样件的参数列表。
表1
表2
表3
表4
对表1至表4中的20个样件进行导电率以及机械性能的测试，测试结果如表5所示。
表5
从表5分析可知，热压后的铜基-石墨烯复合材料的导电率为108.4％～117.7％，抗拉强度Rm为201Mpa～211Mpa，规定塑性延伸强度Rp0.2为71MPa～76MPa，实际压缩力F为9850N～11060N，维氏硬度HV0.2为54.3～55.6。由此可知，热压后的铜基-石墨烯复合材料具有高导电率和优质的力学性能。
进一步，在实际应用场景中，可以设置热压温度为800℃～900℃，压强为30Mpa～50Mpa，热压时间为10min～15min。
本申请对铜基-石墨烯叠层进行热压合处理还可以包括：在热压合过程中，施压机构将铜基-石墨烯叠层与压力保持板同时压合，施压机构通过压力保持板热压于铜基-石墨烯叠层，以增加热压时间。这一步骤可以增加压力保持板与铜基-石墨烯叠层的接触面积，在施压机构对压力保持板施加压力时，铜基-石墨烯叠层与压力保持板接触的部分可以共同受到施压机构的压力，由此可以延长铜基-石墨烯叠层的热压时间。
请参考图1，图1示出了采用压辊加工铜基-石墨烯复合材料的装置。该装置10包括基体11和压辊12。其中，基体11包括加工区域110和设置于该加工区域110内的加工平台112，加工区域110为无氧区域，铜基-石墨烯叠层热压于压辊12于加工平台112之间。
压辊12转动设置，与加工平台112之间预设有用于热压铜基-石墨烯叠层80的热压间隙，该热压间隙在热压合处理时供铜基-石墨烯叠层通过。
上述方案中，压辊12作为施加机构，在对铜基-石墨烯叠层进行热压合处理时，由于压辊12在热压合过程中保持转动，压辊12的形状又决定了压辊12与铜基-石墨烯叠层的接触面积较小，因此使得铜基-石墨烯叠层各部位受压辊12热压的时间较短。鉴于此，可以通过压力保持板17增加铜基-石墨烯叠层80的热压面积，从而增加热压时间。具体的，在热压合过程中，施压机构将铜基-石墨烯叠层与压力保持板同时压合，压力保持板设置在施压机构与热压铜基-石墨烯叠层之间。在压辊12滚过压力保持板17的行程中，铜基-石墨烯叠层与压力保持板17接触的部分可以共同受到压辊12的压力，由此增加了铜基-石墨烯叠层的热压时间。
一种示例，压力保持板17包括链环式压板，链环式压板由多块相对活动的子板依次连接形成环形结构，链环式压板由动力机构带动，从进料侧循环输入压辊12与铜基-石墨烯叠层80之间。链环式压板可以循环运行，在铜基-石墨烯叠层的热压合过程中可以始终起到增加热压时间的作用。
上述方案中，链环式压板采用高温合金材料或耐高温钢，耐受温度范围为500℃～900℃。
进一步，在对铜基-石墨烯叠层进行热压合处理时，还可以在无氧环境中设置多个施压机构，多个施加机构可以多次铜基-石墨烯叠层80，从而起到延长热压时间的作用。例如，当铜基-石墨烯叠层80被输入压辊12与加工平台112之间时，铜基-石墨烯叠层80的同一位置处可以受到多个压辊12的热压，以此增加铜基-石墨烯叠层80在同一位置处的热压时间。
另一方面，还可以通过控制压辊12的转速增加热压时间，压辊12的转速越慢，则铜基-石墨烯叠层80的热压时间越长。例如，一种示例，当设置压辊直径d＝10cm；压辊的转速w＝0.8r/min；压辊数量n＝8个，铜基-石墨烯叠层的输送速度v＝4cm/min时，可以满足铜基-石墨烯叠层被热压20min的要求。
请参考图2，图2示出了采用升降压头加工铜基-石墨烯复合材料的装置。该装置20包括基体21、升降压头22和加热机构23。其中，基体21包括加工区域210和设置于该加工区域210的加工平台212，加工区域210设置为无氧区域。升降压头22和加热机构23均设置于该加工区域210内，铜基-石墨烯叠层80热压于升降压头22与加工平台212之间，加热机构23用于将铜基-石墨烯叠层80加热至500℃～900℃。
在图2所示的示例中，也可以通过设置压力保持板的方式增加铜基-石墨烯叠层的热压时间，即，设置压力保持板的面积大于升降压头22的面积，在热压合处理过程中，升降压头22通过压力保持板热压于铜基-石墨烯叠层。压力保持板可以使得两次热压的区域重叠，则重叠区域的热压时间延长。
需要说明的是，在图3所示的示例中，铜基-石墨烯叠层在热压合过程中以预设速度连续输入压辊12与加工平台112之间，在图2所示的示例中，当升降压头22热压于铜基-石墨烯叠层时，铜基-石墨烯叠层停止输送。
本申请对铜基-石墨烯叠层进行热压合处理还可以包括：用于热压铜基-石墨烯叠层的施压机构包括有效热压区域，有效热压区域的面积小于铜基-石墨烯叠层的面积，热压合时，有效热压区域压合于铜基-石墨烯叠层的内部。该步骤可以使得铜基-石墨烯叠层在中心区域被热压成一体式结构，而在边缘区域则仍然保持叠层状态，由此可以控制铜基-石墨烯叠层在边缘处的延展量。
一种示例，加热机构23可以设置于升降压头23内，升降压头23包括隔热材料120，隔热材料120包围加热机构23设置。这样，隔热材料120可以使得加热机构23释放的热量被集中在升降压头12的局部区域，该局部区域即为施压机构的有效热压区域。
在对铜基-石墨烯叠层80进行热压合处理时，将升降压头22的有效热压区域热压于铜基-石墨烯叠层80的内部，例如，有效热压区域热压于铜基-石墨烯叠层80的中间区域，并与铜基-石墨烯叠层80的边缘留出间隙。在热压合过程中，铜基-石墨烯叠层80与有效热压区域相接触的部位能够被热压成一体式结构，而在铜基-石墨烯叠层80的边缘处，由于温度达不到热压温度(500℃～900℃)而不会被热压成一体式结构，由此可以限制铜基-石墨烯叠层80在边缘处的延展量。值得说明的是，热压后的铜基-石墨烯复合材料可以通过裁切等方式将未热压的边缘切除。
隔热材料120可以采用纳米级硅酸钛复合无机粉末、Al2O3气凝胶-TiO2红外遮光剂复合材料、气相法SiO2、锆英石复合材料等。
在图1所示出的示例中，也可以将加热机构设置在压辊12内，并通过隔热材料在压辊12上设置有效热压区域，以获得与上述相同的技术效果。
此外，本申请中对基-石墨烯叠层进行热压合处理还可以包括：在热压合过程中，通过流经于铜基-石墨烯叠层自身的电流将铜基-石墨烯叠层加热至500℃～900℃。由于铜基-石墨烯叠层为导电体，因此，采用电流式加热可以使得铜基-石墨烯叠层各部分的温度更加均匀，减少铜基-石墨烯叠层表面温度高而内部温度低的缺陷。
一种示例，铜基-石墨烯叠层热压于施压机构与加工平台之间，施压机构以及加工平台均由导电材料制成，且分别与电源的正极和负极连接，当施压机构与铜基-石墨烯叠层接触时，连接电源、施压机构、加工平台以及铜基-石墨烯叠层的电连接回路导通，则电流流经铜基-石墨烯叠层，通过电流发热即将自身加热。
在图1和图2所示的示例中，压辊12与加工平台110以及升降压头22与加工平台212均可由导电材料制成，导电材料可以采用石墨电极。
在本申请提供的加工铜基-石墨烯复合材料的方法中，还可以在热压合前，对铜基-石墨烯叠层进行预热。其中，预热方式不限，例如，可以通过电磁感应加热器进行预热，电磁感应加热器通过电磁感应的方法使得铜基-石墨烯叠层80的内部产生电流，依靠涡流的能量达到加热的目的。电磁感应预热无需借助空气作为传热介质，因此，即使在真空环境下，也可以将铜基-石墨烯叠层80加热。需要说明的是，预热应在无氧环境下进行。
在图1所示出的装置10中，可以通过预热机构16预热铜基-石墨烯叠层，预热机构16为电磁式预热机构。铜基-石墨烯叠层预热应在无氧环境中进行。
此外，该方法还可以包括：热压后，对一体式结构的铜基-石墨烯复合材料进行冷却，冷却的具体方式不限，可以采用气体冷却或液体冷却。
前述中已知，对铜基-石墨烯叠层进行热压合处理在无氧环境中进行，无氧环境可以通过抽真空形成。进一步，为了保护铜基-石墨烯叠层中的铜基底不被氧化，在加热铜基-石墨烯叠层之前，还可以向无氧环境内通入用于防止铜基-石墨烯叠层氧化的保护性气体，保护性气体可以是氦气、氮气、氩气以及二氧化碳等气体，保护性气体通入的压强为20Mpa～100Mpa。
在图1和图2所示出的示例中，装置10包括气体通入机构15，装置20包括气体通入机构25，分别用于在热压合过程中通入保护性气体。
在热压合处理过程中，还需设置施压机构与加工平台之间的热压间隙，热压间隙一方面可以确保铜基-石墨烯叠层热压后可靠接合，另一方面还需确保热压后的铜基-石墨烯复合材料中，铜层和石墨烯层依次交替层叠。
在图1所示的示例中，热压间隙为压辊12与加工平台112之间的间隙，在图2所示的示例中，热压间隙为升降压头22热压时与加工平台212之间的间隙。
一种示例，该热压间隙可以设为铜基-石墨烯叠层总厚度的80％～99％，进一步该热压间隙可以设为铜基-石墨烯叠层总厚度的95％～99％。
下面以带材为例说明采用压辊12加工铜基-石墨烯复合材料的方法的流程图，请参考图3。
对加工区域110抽真空后通入保护性气体；
通过放料辊放料，并预热铜基-石墨烯叠层至300℃～400℃，将预热后的铜基-石墨烯叠层80输入加工区域110；
加热铜基-石墨烯叠层至500℃～900℃，在20Mpa～50Mpa的压强下，压辊12转动并通过压力保持板热压铜基-石墨烯叠层80，热压时间为5min～10min；
热压合后的铜基-石墨烯复合材料经过冷却后收卷于收料辊。
下面以带材为例说明采用升降压头22加工铜基-石墨烯复合材料的方法的流程图，请参考图4。
对加工区域210抽真空后通入保护性气体；
通过放料辊放料，并预热铜基-石墨烯叠层至300℃～400℃，将预热后的铜基-石墨烯叠层80输入加工区域210；
在压强为20Mpa～50Mpa、热压温度为500℃～900℃的热压条件下，保持升降压头12热压于铜基-石墨烯叠层80的热压时间为5min～20min；
热压合后的材料经过冷却后收卷于收料辊。
本申请提供的方法还可以包括：在输送带材的过程中，对铜基-石墨烯叠层进行纠偏、张紧力控制等步骤，以保证热压合后的铜基-石墨烯复合材料的质量。
请参考图5，本申请还提供了一种铜基-石墨烯复合材料，该铜基-石墨烯复合材料采用上述的方法加工而成，该铜基-石墨烯复合材料为一体式层叠结构，包括多个铜层和多个石墨烯层，铜层与石墨烯层交替层叠分布。经实验验证，该铜基-石墨烯复合材料具有高导电率和优质的力学性能。实验数据请详见表1～表5。
本申请提供的铜基-石墨烯复合材料，其中每个铜层的厚度可以为7μm-50μm。本申请提供的铜基-石墨烯复合材料的形状不限，可以为带材，也可以为片材。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (13)

1.一种加工铜基-石墨烯复合材料的方法，其特征在于，包括：
在无氧环境内，对铜基-石墨烯叠层进行热压合处理，所述热压合处理的热压合制度为：压强为20Mpa～50Mpa，热压温度为500℃～900℃，热压时间为5min～20min，铜基-石墨烯叠层经热压合处理后形成一体式结构的铜基-石墨烯复合材料。
2.根据权利要求1所述的加工铜基-石墨烯复合材料的方法，其特征在于，所述对铜基-石墨烯叠层进行热压合处理包括：在热压合过程中，施压机构将铜基-石墨烯叠层与压力保持板同时压合，所述施压机构通过所述压力保持板热压铜基-石墨烯叠层。
3.根据权利要求2所述的加工铜基-石墨烯复合材料的方法，其特征在于，所述压力保持板包括链环式压板，所述链环式压板由多块相对活动的子板依次连接形成环形结构，所述链环式压板在热压合过程中从进料侧循环输入所述施压机构与铜基-石墨烯叠层之间。
4.根据权利要求1所述的加工铜基-石墨烯复合材料的方法，其特征在于，所述对铜基-石墨烯叠层进行热压合处理包括：在无氧环境内设置多个用于热压铜基-石墨烯叠层的施压机构，多个所述施压机构共同热压铜基-石墨烯叠层。
5.根据权利要求1所述的加工铜基-石墨烯复合材料的方法，其特征在于，所述对铜基-石墨烯叠层进行热压合处理包括：用于热压铜基-石墨烯叠层的施压机构包括有效热压区域，所述有效热压区域的面积小于所述铜基-石墨烯叠层的面积，热压合时，所述有效热压区域压合于铜基-石墨烯叠层的内部。
6.根据权利要求5所述的加工铜基-石墨烯复合材料的方法，其特征在于，用于加热铜基-石墨烯叠层的加热机构设置于所述施压机构内，所述加热机构所在的区域为所述施压机构的有效热压区域，所述有效热压区域通过隔热材料包围。
7.根据权利要求1所述的加工铜基-石墨烯复合材料的方法，其特征在于，所述对铜基-石墨烯叠层进行热压合处理还包括：在热压合过程中，通过流经于铜基-石墨烯叠层自身的电流将铜基-石墨烯叠层加热至500℃～900℃。
8.根据权利要求7所述的加工铜基-石墨烯复合材料的方法，其特征在于，铜基-石墨烯叠层热压于施压机构与所述加工平台之间，所述施压机构与所述加工平台均由导电材料制成，且分别与电源的正极和负极连接，当所述施压机构与铜基-石墨烯叠层接触时，连接电源、施压机构、加工平台以及铜基-石墨烯叠层的电连接回路导通，铜基-石墨烯叠层通过流经于自身的电流被加热。
9.根据权利要求1至8任一项所述的加工铜基-石墨烯复合材料的方法，其特征在于，所述对铜基-石墨烯叠层进行热压合处理还包括：在加热之前向所述无氧环境内通入用于防止铜基-石墨烯叠层氧化的保护性气体。
10.根据权利要求1至8任一项所述的加工铜基-石墨烯复合材料的方法，其特征在于，所述对铜基-石墨烯叠层进行热压合处理还包括：设置热压间隙为铜基-石墨烯叠层总厚度的80％～99％，所述热压间隙为热压时施压机构与加工平台之间的间隙。
11.一种铜基-石墨烯复合材料，采用权利要求1至10任一项所述的方法加工而成，其特征在于，所述铜基-石墨烯复合材料为一体式层叠结构，包括多个铜层和多个石墨烯层，所述铜层与所述石墨烯层交替层叠分布。
12.根据权利要求11所述的铜基-石墨烯复合材料，其特征在于，所述铜层的厚度为7μm-50μm。
13.根据权利要求11所述的铜基-石墨烯复合材料，其特征在于，所述铜基-石墨烯复合材料为带材或片材。
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