CN114752914A - 铜基石墨烯及导体的制备方法和电线电缆 - Google Patents

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Abstract

一种铜基石墨烯的制备方法，包括如下步骤：对铜材进行表面清洗、干燥处理；依次将耐高温基片、铜材、耐高温基片堆叠放置，形成三层堆叠结构；退火处理；采用化学气相沉积法，在铜材的表面生长石墨烯层，得到铜基石墨烯。一种铜基石墨烯导体的制备方法，将上述铜基石墨烯经过热压烧结、拉丝、退火处理，得到铜基石墨烯导体。一种电线电缆，由多根绞合单体绞合而成，多根绞合单体包括一根或多根铜基石墨烯导体。本发明提供一种铜基石墨烯及导体的制备方法和电线电缆，采用基片‑铜材‑基片的三层堆叠结构，且从源头上减少氧化颗粒的形成，解决石墨烯制备过程中杂质污染的问题，制备出洁净石墨烯，可极大限度的提高电导率。

Description

铜基石墨烯及导体的制备方法和电线电缆
技术领域
本发明涉及电线电缆材料领域，具体涉及一种铜基石墨烯及导体的制备方法和电线电缆。
背景技术
目前，随着现代工业飞速发展，航空航天、交通运输、机械化工、能源、通讯、电气电子和国防等领域对铜或铜合金的导电性能要求越来越高。国内外科学界已开发出包括Cu-Ag、Cu-Al、Cu-Cr-Fe等高导铜合金材料与复合材料。与铝导体相比，铜及其铜合金具有优越的导电性、抗腐蚀性等性能成为电线电缆中应用最为普遍的材料。随着工业的发展，对铜电线电缆性能的要求也越来越高。现已研发出的材料大多停留于实验阶段，因生产成本过高、制备工艺复杂等问题使之得不到广泛的应用。但各大工业领域对高导电、性能优良的铜合金或其复合材料的需求越来越紧迫。
石墨烯是由sp2杂化碳原子紧密堆积成的具有二维蜂窝状晶格结构的碳材料，因其具有优异的综合性能：抗拉强度为125Gpa，弹性模量为1.0Tpa，单层石墨烯热导率为5300W/(m·k)，载流子迁移率高达15000cm2/(v·s)，常被作为制备复合材料的理想填料。石墨烯的优异性能使得石墨烯在复合材料、微纳加工、生物医学、电子信息等领域有着广阔的应用前景。
增强体石墨烯加入基体铜箔中，使铜基石墨烯复合材料具有较高的导电导热性能、高强度和高耐磨性能、高抗氧化性等优异性能，广泛地应用于电线电缆、集成电路、电触点材料等方面。目前，铜基石墨烯复合材料现有制备技术主要使用化学法制备，如：机械球磨法、溶液共混法，原位生长法等。这些制备方法存在很多问题：石墨烯层数过多、石墨烯粉体和浆料很容易发生团聚效应、分散均匀性差，复合材料中很难形成石墨烯导电网络等，使得到的铜基石墨烯复合材料的电学性能和延伸率大幅下降。相比而言，化学气相沉积法一方面可精确控制层数，样品均匀性好；另一方面，制备的石墨烯质量较高，可实现大规模连续化生产，是制备石墨烯的理想方法。但实际上，化学气相沉积方法制备的石墨烯表面往往有很多氧化颗粒污染物，这些不导电的氧化颗粒污染物的存在会大大降低石墨烯的导电性，严重影响了石墨烯的应用。因此从源头上减少氧化颗粒的形成，解决石墨烯制备过程中杂质污染的问题，制备出洁净石墨烯，对石墨烯的应用具有十分重要的意义。之后，再将所述洁净铜基石墨烯进行热压烧结成型、电缆拉丝工艺，最后得到超高导的铜基石墨烯合金电缆，与未来连续动态的工业化制备相结合，显得意义重大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种铜基石墨烯及导体的制备方法和电线电缆。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种铜基石墨烯的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1：对铜材进行表面清洗、干燥处理；
步骤S2：依次将耐高温基片、步骤S1得到的铜材、耐高温基片堆叠放置，形成一种基片-铜材-基片的三层堆叠结构；
步骤S3：将步骤S2得到的三层堆叠结构进行退火处理；
步骤S4：将步骤S3退火处理后的三层堆叠结构采用化学气相沉积法生长石墨烯层，在铜材的表面生长石墨烯层，得到铜基石墨烯。
优选地，所述步骤S1中，所述表面清洗处理为先用丙酮、稀盐酸对铜材表面清洗，再分别用乙醇、去离子水多遍清洗铜材；所述干燥处理在氮气氛围下进行。
优选地，所述铜材包括铜粉、铜箔或铜丝中的一种。
优选地，所述耐高温基片为石墨片或氧化铝片。
优选地，所述步骤S3中的退火处理包括如下步骤：
步骤S31：将步骤S2得到的三层堆叠结构放入载具中，再将放有三层堆叠结构的载具置于石英管内；
步骤S32：将石英管内抽真空至1Pa后，通入氩气反复清洗石英管道；
步骤S33：以流量为100～300sccm持续向石英管通入氢气，以10～50℃/min的速率加热至1000～1050℃，退火0.5～3h。
优选地，所述步骤S4中的化学气相沉积法包括如下步骤：
步骤S41：以流量为100～300sccm向石英管通入氢气，以流量为5～50sccm向石英管通入甲烷，在1000～1050℃的温度下维持0.5～3h，生长石墨烯；
步骤S42：快速降至室温，并停止通入甲烷、氢气。
本发明的铜基石墨烯的制备方法，从源头上减少氧化颗粒的形成，解决石墨烯制备过程中杂质污染的问题，制备出洁净石墨烯。具体提供一种将铜材放置在两层耐高温基片之间形成的基片-铜材-基片的“三明治”结构，从而形成一种相对密闭的空间结构来生长洁净石墨烯。该微米级的密闭空间结构可以使得气体正常通过并加剧各气体分子之间的有效碰撞，更高效的制备出高质量石墨烯。此外，该结构可有效阻止高温时从石英管等析出的硅氧化物颗粒在铜材表面的聚集沉积，从而保证得到表面洁净的石墨烯。
本发明还提供一种铜基石墨烯导体的制备方法，包括如下步骤：
步骤S5：将上述任意一种技术方案中的铜基石墨烯热压烧结成铜坯块；
步骤S6：将步骤S5得到的铜坯块进行拉丝制成导线；
步骤S7：将步骤S6得到的导线进行退火处理，得到铜基石墨烯导体。
优选地，所述步骤S5中，烧结工艺为在真空条件下，压力值为15～100KN，烧结温度500～900℃，时间10～90min。
优选地，所述步骤S6中拉丝工艺为热挤压工艺，模具预热温度为600～950℃，铜坯温度为600～950℃，挤压比为10～100。
优选地，所述步骤S7中退火处理的退火温度为400～600℃，时间为1～4h。
本发明的铜基石墨烯导体的制备方法，将洁净铜基石墨烯进行热压烧结成型、电缆拉丝工艺，最后得到超高导的铜基石墨烯导体。
本发明还提供一种电线电缆，由多根绞合单体绞合而成，所述多根绞合单体包括一根或多根上述任意一种技术方案中的铜基石墨烯导体。
优选地，所述绞合单体还包括导电单丝，所述导电单丝为铜丝、铝丝、钢丝、非金属导电单丝、复合材料单丝中的一种或多种。
本发明的电线电缆，采用洁净无氧化硅杂质的铜基石墨烯导体和金属导体绞合而成，具有高导电率。
附图说明
图1是对比实施例中普通CVD工艺铜箔上生长的石墨烯的SEM图；
图2是对比实施例中普通CVD工艺铜箔上生长的石墨烯的EDS图；
图3是本发明的“三明治”式三层堆叠结构的示意图；
图4是本发明的实施例一制备的铜基石墨烯的拉曼光谱图；
图5是本发明的实施例一制备的铜基石墨烯的SEM图；
图6是本发明的实施例一制备的铜基石墨烯的面扫EDS图。
具体实施方式
以下结合附图1至6给出的实施例，进一步说明本发明的铜基石墨烯及导体的制备方法和电线电缆的具体实施方式。本发明的铜基石墨烯及导体的制备方法和电线电缆不限于以下实施例的描述。
本发明的铜基石墨烯的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1：对铜材进行表面清洗、干燥处理。
优选地，铜材包括铜粉、铜箔或铜丝中的一种。具体地，步骤S1中，表面清洗处理为先用丙酮、稀盐酸对铜材表面清洗，再用乙醇、去离子水多遍清洗铜材。干燥处理在氮气氛围下进行，具体操作包括在氮气氛围下进行干燥处理或直接使用氮气进行吹干。
步骤S2：依次将耐高温基片、步骤S1得到的铜材、耐高温基片堆叠放置，形成一种基片-铜材-基片的三层堆叠结构。
优选地，在步骤S2中，耐高温基片采用石墨片或氧化铝片。
步骤S3：将步骤S2得到的三层堆叠结构进行退火处理。
步骤S3中的退火处理具体包括如下步骤：
步骤S31：将步骤S2得到的三层堆叠结构放入载具中，再将放有三层堆叠结构的载具置于石英管内；
步骤S32：将石英管内抽真空至1Pa后，通入氩气反复清洗石英管道；
步骤S33：以流量为100～300sccm持续向石英管通入氢气，以10～50℃/min的速率加热至1000～1050℃，退火0.5～3h。
值得一提的是，图3示出了“三明治”式三层堆叠结构，其中箭头表示气体流动方向，数字1表示耐高温基片，数字2表示铜材。
步骤S4：将步骤S3退火处理后的三层堆叠结构采用化学气相沉积法生长石墨烯层，在铜材的表面生长石墨烯层，得到铜基石墨烯。
步骤S4中的化学气相沉积法具体包括如下步骤：
步骤S41：以流量为100～300sccm向石英管通入氢气，以流量为5～50sccm向石英管通入甲烷，在1000～1050℃的温度下维持0.5～3h，生长石墨烯；
步骤S42：快速降至室温，并停止通入甲烷、氢气。
本发明的铜基石墨烯的制备方法，从源头上减少氧化颗粒的形成，解决石墨烯制备过程中杂质污染的问题，制备出洁净石墨烯。具体提供一种将铜材放置在两层耐高温基片之间形成的基片-铜材-基片的三层堆叠结构，类似于“三明治”结构，从而形成一种相对密闭的空间结构来生长洁净石墨烯。该微米级的密闭空间结构可以使得气体正常通过并加剧各气体分子之间的有效碰撞，更高效的制备出高质量石墨烯。此外，该结构可有效阻止高温时从石英管等析出的硅氧化物颗粒在铜材表面的聚集沉积，从而保证得到表面洁净的石墨烯，在铜材表面均匀生长了洁净少层石墨烯，可极大限度的提高电导率。
本发明的铜基石墨烯导体的制备方法，包括如下步骤：
步骤S5：将上述制备方法制得的铜基石墨烯热压烧结成铜坯块。
具体地，步骤S5中，烧结工艺为在真空条件下，压力值为15～100KN，烧结温度500～900℃，时间10～90min。另外，选用铜箔作为铜材制得的铜基石墨烯在本步骤中以堆叠热压的方式烧结成铜坯块。
步骤S6：将步骤S5得到的铜坯块进行拉丝制成导线。
具体地，步骤S6中拉丝工艺为热挤压工艺，模具预热温度为600～950℃，铜坯温度为600～950℃，挤压比为10～100。
步骤S7：将步骤S6得到的导线进行退火处理，得到铜基石墨烯导体。
具体地，步骤S7中退火处理的退火温度为400～600℃，时间为1～4h。本步骤起到氢气还原加退火的作用。
本发明的铜基石墨烯导体的制备方法，将洁净铜基石墨烯进行热压烧结成型、拉丝工艺、退火处理，最后得到超高导的铜基石墨烯导体。导体的制备方法工艺过程简单，成本低廉，适用于工业化生产。它将在电线电缆市场发挥巨大作用，更广泛应用于新兴技术领域，大量节约资源的同时将获得巨大的经济效益。
本发明的电线电缆由多根绞合单体绞合而成，所述多根绞合单体包括一根或多根上述方法制备形成的铜基石墨烯导体。
进一步地，所述绞合单体还包括导电单丝，所述导电单丝为铜丝、铝丝、钢丝、非金属导电单丝、复合材料单丝中的一种或多种。
下面通过对比实施例与本发明的实施例一～九对本发明的铜基石墨烯及导体的制备方法和电线电缆作更具体的说明。
对比实施例
本对比实施例采用传统CVD制备铜基石墨烯及导体及电线电缆的方法，具体是按照以下步骤进行的：
首先，将20μm厚，3cm×3cm铜箔用丙酮、稀盐酸清洗，再用乙醇、去离子水等清洗多遍去除残余溶液，再用氮气将铜箔吹干。然后将其放置于化学气相沉积炉石英管中央。
然后，将石英管抽真空至1Pa并反复通入氩气清洗管道。以100sccm的流量持续通入氢气，以50℃/min的速率加热至1000℃，退火0.5h。再以5sccm的流量通入甲烷，保温30min进行石墨烯的生长，快速降至室温并停止通入甲烷、氢气，得到铜基石墨烯。
图1和图2为本对比实施例采用普通CVD工艺制备的铜基石墨烯的SEM图和EDS图,如图1所示石墨烯白色颗粒较多，图2表明该颗粒为在石墨烯生长过程中析出的硅氧化物。
接着，将20片上述得到的铜基石墨烯层叠，利用真空热压炉以堆叠热压的方式，经过15KN、900℃真空热压烧结90min，模具预热温度为600℃，铜坯温度为600℃，挤压比为10。再经过传统的拉丝工艺得到导线。最后进行退火处理，退火温度为400℃，时间为1h，得到铜基石墨烯导体，密度为8.921g/cm3，硬度为HV56.1。
将本对比实施例制得的铜基石墨烯导体绞合成电缆，室温下电导率为99.6％IACS。
实施例一
本实施例制备铜基石墨烯及导体及电线电缆的方法，具体是按照以下步骤进行的：
首先，将20μm厚，3cm×3cm铜箔用丙酮、稀盐酸清洗，再用乙醇、去离子水等清洗多遍去除残余溶液。用氮气将铜箔吹干。
然后，依次将耐高温基片、铜箔、耐高温基片堆叠放置，形成一种基片-铜箔-基片的“三明治”式三层堆叠结构。
接着，将三层堆叠结构放入载具中，并将放有三层堆叠结构的载具放置于化学气相沉积炉石英管中央，如图3所示。
然后，将石英管抽真空至1Pa并反复通入氩气清洗管道。再以100sccm的流量持续通入氢气，并以50℃/min的速率加热至1000℃，退火0.5h。
接着，以5sccm的流量通入甲烷，保温30min进行石墨烯的生长，快速降至室温并停止通入甲烷、氢气，在铜箔的上下表面各生长有单层的石墨烯层，得到洁净铜基石墨烯。
如图4所示，通过拉曼光谱中D、G和2D峰的位置、I2D/G以及2D峰半高宽可知，石墨烯包覆铜箔的层数为单层，ID/G比值较低，表明石墨烯结构缺陷少，质量很高。如图5所示，图中显示几乎无白色硅氧化物颗粒出现。如图6所示，EDS元素分析可见无硅元素存在，可知本实施例制得的铜基石墨烯中不存在氧化硅杂质。
接着，将20片上述得到的铜基石墨烯层叠，利用真空热压炉以堆叠热压的方式，经过15KN、900℃真空热压烧结90min，模具预热温度为600℃，铜坯温度为600℃，挤压比为10。再经过传统的拉丝工艺得到导线。最后进行退火处理，退火温度为400℃，时间为1h，得到铜基石墨烯导体，密度为8.92g/cm3，硬度为HV57.2。
将本实施例的铜-石墨烯导体绞合成电缆，室温下电导率为102.5％IACS。该实施例的工艺条件与对比实施例唯一区别在于是否采用“三明治”式三层堆叠结构的放置方法，测试结果可见该结构可有效避免氧化硅杂质的影响，使得样品电导率提升2.9％。
实施例二
本实施例制备铜基石墨烯及导体及电线电缆的方法，具体是按照以下步骤进行的：
首先，将25μm厚，3cm×3cm铜箔用丙酮、稀盐酸清洗，再用乙醇、去离子水等清洗多遍去除残余溶液。用氮气将铜箔吹干。
然后，依次将耐高温基片、铜箔、耐高温基片堆叠放置，形成一种基片-铜箔-基片的“三明治”式三层堆叠结构。
接着，将三层堆叠结构放入载具中，并将放有三层堆叠结构的载具放置于化学气相沉积炉石英管中央，如图3所示。
然后，将石英管抽真空至1Pa并反复通入氩气清洗管道。再以300sccm的流量持续通入氢气，并以10℃/min的速率加热至1050℃，退火1h。
接着，以30sccm的流量通入甲烷，保温2h进行石墨烯的生长，快速降至室温并停止通入甲烷、氢气，得到洁净铜基石墨烯。
接着，将100片上述得到的铜基石墨烯层叠，利用真空热压炉以堆叠热压的方式，经过100KN、750℃真空热压烧结10min，模具预热温度为950℃，铜坯温度为950℃，挤压比为100。再经过传统的拉丝工艺得到导线状的。最后进行退火处理，退火温度为600℃，时间为4h，得到铜基石墨烯导体，密度为8.926g/cm3，硬度为HV52.5。
将本实例中制备的铜基石墨烯导体绞合成电缆，室温下电导率为101.2％IACS。
实施例三
本实施例制备铜基石墨烯及导体及电线电缆的方法，具体是按照以下步骤进行的：
首先，将80μm厚，3cm×3cm铜箔用丙酮、稀盐酸清洗，再用乙醇、去离子水等清洗多遍去除残余溶液。用氮气将铜箔吹干。
然后，依次将耐高温基片、铜箔、耐高温基片堆叠放置，形成一种基片-铜箔-基片的“三明治”式三层堆叠结构。
接着，将三层堆叠结构放入载具中，并将放有三层堆叠结构的载具放置于化学气相沉积炉石英管中央，如图3所示。
然后，将石英管抽真空至1Pa并反复通入氩气清洗管道。再以200sccm的流量持续通入氢气，并以20℃/min的速率加热至1020℃，退火3h。
接着，以50sccm的流量通入甲烷，保温3h进行石墨烯的生长，快速降至室温并停止通入甲烷、氢气，在铜箔的上下表面各生长有双层的石墨烯层，得到洁净铜基石墨烯。
接着，将30片上述得到的铜基石墨烯层叠，利用真空热压炉以堆叠热压的方式，经过70KN、500℃真空热压烧结60min，模具预热温度为700℃，铜坯温度为700℃，挤压比为50。再经过传统的拉丝工艺得到导线。最后进行退火处理，退火温度为500℃，时间为2h，得到铜基石墨烯导体，密度为8.929g/cm3，硬度为HV55.1。
本实例中制备出的铜基石墨烯导体绞合成电缆，室温下电导率为100.03％IACS。
实施例四
本实施例制备铜基石墨烯及导体及电线电缆的方法，具体是按照以下步骤进行的：
首先，将200目铜粉用丙酮、稀盐酸清洗，再用乙醇、去离子水等清洗多遍去除残余溶液。在氮气氛围下对铜粉干燥。
然后，将铜粉平铺在两片石墨片之间，形成一种基片-铜粉-基片的“三明治”式三层堆叠结构。
接着，将三层堆叠结构放入载具中，并将放有三层堆叠结构的载具放置于化学气相沉积炉石英管中央，如图3所示。
然后，将石英管抽真空至1Pa并反复通入氩气清洗管道。再以100sccm的流量持续通入氢气，并以50℃/min的速率加热至1000℃，退火0.5h。
接着，以5sccm的流量通入甲烷，保温30min进行石墨烯的生长，快速降至室温并停止通入甲烷、氢气，在铜粉的表面生长石墨烯层，得到洁净铜基石墨烯。
接着，将上述得到的铜基石墨烯利用真空热压炉，经过15KN、900℃真空热压烧结90min，模具预热温度为600℃，铜坯温度为600℃，挤压比为10。再经过传统的拉丝工艺得到导线。最后进行退火处理，退火温度为400℃，时间为1h，得到铜基石墨烯导体。密度为8.87g/cm3，硬度为HV54.4。
本实例中制备出的铜基石墨烯导体绞合成电缆，室温下电导率为100.9％IACS。
实施例五
本实施例制备铜基石墨烯及导体及电线电缆的方法，具体是按照以下步骤进行的：
首先，将直径3mm、长20cm的铜丝用丙酮、稀盐酸清洗，再用乙醇、去离子水等清洗多遍去除残余溶液。用氮气将铜丝吹干。
然后，将铜丝平铺在两片石墨片之间，形成一种基片-铜丝-基片的“三明治”式三层堆叠结构。
接着，将三层堆叠结构放入载具中，并将放有三层堆叠结构的载具放置于化学气相沉积炉石英管中央，如图3所示。
然后，将石英管抽真空至1Pa并反复通入氩气清洗管道。再以100sccm的流量持续通入氢气，并以50℃/min的速率加热至1000℃，退火0.5h。
接着，以5sccm的流量通入甲烷，保温30min进行石墨烯的生长，快速降至室温并停止通入甲烷、氢气，在铜丝的表面生长石墨烯层，得到洁净铜基石墨烯。
接着，将上述得到的铜基石墨烯利用真空热压炉，经过15KN、900℃真空热压烧结90min，模具预热温度为600℃，铜坯温度为600℃，挤压比为10。再经过传统的拉丝工艺得到导线。最后进行退火处理，退火温度为400℃，时间为1h，得到铜基石墨烯导体。密度为8.85g/cm3，硬度为HV53.1。
本实例中制备出的铜基石墨烯导体绞合成电缆，室温下电导率为99.98％IACS。
实施例六
将实施例二中得到的铜基石墨烯导体导线与铜单丝绞合制备成电缆，室温下电导率为100.1％IACS。
实施例七
将实施例二中得到的铜基石墨烯导体导线与铝单丝绞合制备成电缆，室温下电导率为100％IACS。
实施例八
将实施例二中得到的铜基石墨烯导体导线与钢单丝、非金属导电单丝绞合制备成电缆，室温下电导率为99.7％IACS。
实施例九
将实施例二中得到的铜基石墨烯导体导线与复合材料单丝绞合制备成电缆，室温下电导率为99.97％IACS。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种铜基石墨烯的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S1：对铜材进行表面清洗、干燥处理；
步骤S2：依次将耐高温基片、步骤S1得到的铜材、耐高温基片堆叠放置，形成一种基片-铜材-基片的三层堆叠结构；
步骤S3：将步骤S2得到的三层堆叠结构进行退火处理；
步骤S4：将步骤S3退火处理后的三层堆叠结构采用化学气相沉积法生长石墨烯层，在铜材的表面生长石墨烯层，得到铜基石墨烯。
2.根据权利要求1所述的铜基石墨烯的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述表面清洗处理为先用丙酮、稀盐酸对铜材表面清洗，再分别用乙醇、去离子水多遍清洗铜材；所述干燥处理在氮气氛围下进行。
3.根据权利要求1所述的铜基石墨烯的制备方法，其特征在于：所述铜材包括铜粉、铜箔或铜丝中的一种。
4.根据权利要求1所述的铜基石墨烯的制备方法，其特征在于：所述耐高温基片为石墨片或氧化铝片。
5.根据权利要求1所述的铜基石墨烯的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中的退火处理包括如下步骤：
步骤S31：将步骤S2得到的三层堆叠结构放入载具中，再将放有三层堆叠结构的载具置于石英管内；
步骤S32：将石英管内抽真空至1Pa后，通入氩气反复清洗石英管道；
步骤S33：以流量为100～300sccm持续向石英管通入氢气，以10～50℃/min的速率加热至1000～1050℃，退火0.5～3h。
6.根据权利要求5所述的铜基石墨烯的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中的化学气相沉积法包括如下步骤：
步骤S41：以流量为100～300sccm向石英管通入氢气，以流量为5～50sccm向石英管通入甲烷，在1000～1050℃的温度下维持0.5～3h，生长石墨烯；
步骤S42：快速降至室温，并停止通入甲烷、氢气。
7.一种铜基石墨烯导体的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S5：将根据权利要求1-6任一所述的制备方法制得的铜基石墨烯热压烧结成铜坯块；
步骤S6：将步骤S5得到的铜坯块进行拉丝制成导线；
步骤S7：将步骤S6得到的导线进行退火处理，得到铜基石墨烯导体。
8.根据权利要求7所述的铜基石墨烯导体的制备方法，其特征在于：所述步骤S5中，烧结工艺为在真空条件下，压力值为15～100KN，烧结温度500～900℃，时间10～90min。
9.根据权利要求7所述的铜基石墨烯导体的制备方法，其特征在于：所述步骤S6中拉丝工艺为热挤压工艺，模具预热温度为600～950℃，铜坯温度为600～950℃，挤压比为10～100。
10.根据权利要求7所述的铜基石墨烯导体的制备方法，其特征在于：所述步骤S7中退火处理的退火温度为400～600℃，时间为1～4h。
11.一种电线电缆，其特征在于：由多根绞合单体绞合而成，所述多根绞合单体包括一根或多根根据权利要求7-10任一所述的制备方法制得的铜基石墨烯导体。
12.根据权利要求11所述的电线电缆，其特征在于：所述绞合单体还包括导电单丝，所述导电单丝为铜丝、铝丝、钢丝、非金属导电单丝、复合材料单丝中的一种或多种。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115351277A (zh) * 2022-08-04 2022-11-18 国网智能电网研究院有限公司 一种石墨烯铜复合材料及其制备方法和应用

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140014030A1 (en) * 2012-07-10 2014-01-16 William Marsh Rice University Methods for production of single-crystal graphenes
US20150337458A1 (en) * 2013-01-09 2015-11-26 The Regents Of The University Of California Chemical vapor deposition growth of graphene
CN108069416A (zh) * 2016-11-14 2018-05-25 北京大学 超洁净石墨烯及其制备方法
CN108726510A (zh) * 2017-04-20 2018-11-02 北京大学 一种大面积超洁净石墨烯及其宏量制备方法与其洁净度的快速评估方法
CN109295333A (zh) * 2018-08-22 2019-02-01 上海新池能源科技有限公司 三维石墨烯-铜复合材料及复合电线电缆的制备方法
CN111349905A (zh) * 2019-10-29 2020-06-30 北京碳垣新材料科技有限公司 增强型铜基复合线材的制备方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140014030A1 (en) * 2012-07-10 2014-01-16 William Marsh Rice University Methods for production of single-crystal graphenes
US20150337458A1 (en) * 2013-01-09 2015-11-26 The Regents Of The University Of California Chemical vapor deposition growth of graphene
CN108069416A (zh) * 2016-11-14 2018-05-25 北京大学 超洁净石墨烯及其制备方法
CN108726510A (zh) * 2017-04-20 2018-11-02 北京大学 一种大面积超洁净石墨烯及其宏量制备方法与其洁净度的快速评估方法
CN109295333A (zh) * 2018-08-22 2019-02-01 上海新池能源科技有限公司 三维石墨烯-铜复合材料及复合电线电缆的制备方法
CN111349905A (zh) * 2019-10-29 2020-06-30 北京碳垣新材料科技有限公司 增强型铜基复合线材的制备方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115351277A (zh) * 2022-08-04 2022-11-18 国网智能电网研究院有限公司 一种石墨烯铜复合材料及其制备方法和应用
CN115351277B (zh) * 2022-08-04 2024-02-06 国网智能电网研究院有限公司 一种石墨烯铜复合材料及其制备方法和应用

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