CN116469602A - 一种高导电铜基石墨烯复合材料及其制备装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高导电铜基石墨烯复合材料及其制备装置，涉及导电材料技术领域。本发明包括铜箔以及石墨烯层，石墨烯层与铜箔交替复合构成卷状结构；石墨烯层均匀沉积于铜箔的上下表面；铜箔厚度为5μm‑25μm，铜箔的纯度高于99％；石墨烯层和铜箔缠绕两圈及以上；石墨烯层的层数为1‑2层；采用化学气相沉积法在铜箔表面生成连续的、结构完整的单层或双层石墨烯；引入了传动系统实现大规模生产，在大量的铜箔表面上生成石墨烯，将包覆石墨烯的铜箔卷曲得到具有卷状结构的复合材料，卷状结构的复合材料具有连续的石墨烯导电通道，导电性能将远高于铜；卷状复合材料能被进一步加工成高导电线电缆、高导高强板材等，具有广泛应用价值。
Description
技术领域
本发明属于导电材料技术领域，特别是涉及一种高导电铜基石墨烯复合材料及其制备装置。
背景技术
众所周知，铜是一种低成本、可靠的导电材料，其导电能力仅次于银。随着对电力需求的不断增加，发电量和用电量不断上升，输电过程中产生的电能损耗也越来越多。为了减少电能损耗，人们需要寻找具有更高导电性的导体。目前高导电材料制备难度大，且难以实现规模化生产。因此，需要研究一种改进结构的复合材料，该种结构的复合材料具有卓越的导电性能，并且可以大规模生产。
石墨烯自2004年问世以来，以其优异的导电性能受到了极大的关注。石墨烯极优异的导电性能使得铜基石墨烯复合材料的电导率有超过铜的可能，其关键在于石墨烯的结构要尽量完整以保持其高导电的本征特性，同时复合材料中要形成以石墨烯为主的导电通道，尽量避免在电子运动方向上产生石墨烯/铜相交界面，否则在交界面处发生的电子散射会极大降低复合材料的电导率。另外，复合材料要易于加工，可以实现大规模生产。文献(1)Graphene-and-Copper Artificial Nacre Fabricated by a Preform ImpregnationProcess:Bioinspired Strategy forStrengthening-Toughening of Metal MatrixComposite(预成型浸渍法制备石墨烯-铜人工珍珠层:金属基复合材料增强增韧的生物启发机制)首先制备多孔铜基体，然后将还原氧化石墨烯吸附到孔中，最后热压烧结获得复合材料。该复合材料的电导率(98.4％IACS)低于铜，因为作为增强相的还原氧化石墨烯结构不完整，电导率甚至比铜还低。文献(2)Fabrication of in-situ grown graphenereinforced Cu matrix composites(原位生长石墨烯增强铜基复合材料的制备)首先用化学气相沉积法在铜粉上生成了石墨烯，然后球磨复合粉体，最后热压烧结得到复合材料。该复合材料的电导率(100％IACS)没有超过铜，因为即使化学气相沉积可以得到结构完整的石墨烯，但在复合材料中并没有形成连续的石墨烯导电通道，无法发挥石墨烯高导电的本征特性。CN106584976A公开了一种高导电石墨烯/铜基层状复合材料及其制备方法，该专利首先通过化学气相沉积在铜箔的两个表面上生成了石墨烯，然后堆叠石墨烯包覆的铜箔，最后热压得到具有层状结构的复合材料。由于石墨烯结构完好并且形成了连续的石墨烯导电通道，该种复合材料电导率(117％IACS)超过了铜，但是这种基于传统化学气相沉积装置的制备方法，制备效率低、成本高，难以实现大规模生产。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提出了一种高导电铜基石墨烯复合材料及其制备装置；通过对传统的沉积装置进行改进，可以在大量的铜箔表面生成石墨烯，随后将得到的箔片卷曲以形成具有卷状结构的复合材料，该种结构的复合材料具有连续的石墨烯导电通道，其电导率将远超过铜。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明的一种高导电铜基石墨烯复合材料，包括铜箔以及石墨烯层，所述石墨烯层与铜箔交替复合构成卷状结构；所述石墨烯层均匀沉积于铜箔的上下表面。
进一步地，所述铜箔厚度为5μm-25μm，即铜箔长宽比大于50，厚度不超过25μm，铜箔为纯度大于99％的纯铜。
进一步地，所述石墨烯层和铜箔缠绕两圈及以上。
进一步地，所述石墨烯层的层数为1-2层，即为单层或双层。
一种高导电铜基石墨烯复合材料的制备装置，至少包括连接铜箔一端的第一驱动辊、连接铜箔另一端的第二驱动辊、位于第一驱动辊与的第二驱动辊之间对铜箔进行限位的从动辊、驱动装置以及沉积系统，所述沉积系统包括加热装置和供气装置；驱动装置为第一驱动辊和第二驱动辊提供动力；第一驱动辊和第二驱动辊分别位于沉积系统的两端；铜箔两端连接在第一驱动辊和第二驱动辊上，并经从动辊固定；
通过化学气相沉积法在从动辊限位中部的铜箔两表面生成石墨烯层，在第一驱动辊与第二驱动辊驱动作用下使铜箔依次通过铜箔周围发生化学气相沉积反应的沉积区，得到包覆石墨烯层的复合材料，并交替复合构成卷状结构。
进一步地，所述从动辊设置有一个，所述铜箔沿从动辊轴向方向不重合的缠绕在从动辊上，从动辊水平放置并穿过沉积区，所述铜箔两次通过沉积区。
进一步地，所述从动辊设置有两个，分别位于沉积区两侧，同时也位于铜箔下方，在第一驱动辊、第二驱动辊与两个从动辊配合下，使铜箔悬空并水平通过沉积区。
进一步地，所述从动辊设置有两个，一个从动辊位于沉积区上方、铜箔下方，另一个从动辊位于沉积区下方、铜箔上方，使铜箔悬空并竖直通过沉积区。
所述装置工作时，长方形铜箔的一端连接在第一驱动辊上，并在第一驱动辊上大量缠绕，随后，铜箔经从动辊固定穿过沉积区，并最终将另一端连接到第二驱动辊上；经驱动装置带动，第一驱动辊和第二驱动辊按指定方向转动，铜箔由第一驱动辊经沉积区被传输至第二驱动辊。在沉积区，加热装置和供气装置提供沉积石墨烯所需的环境条件，铜箔经过时，在表面生成了石墨烯。最终，大量包覆石墨烯的铜箔将缠绕在第二驱动辊上。经进一步的卷曲、包覆，可得到具有卷状结构的高导电铜基石墨烯复合材料。
本发明相对于现有技术包括有以下有益效果：
(1)本发明得到的复合材料具有良好的卷状构型，连续的石墨烯相为电子提供了高速运动通道，充分发挥了石墨烯高导电的本征特性，卷状结构的复合材料具有连续的石墨烯导电通道，其导电性能将远高于铜，复合材料将具有远高于铜的导电性能；
(2)本发明的卷状复合材料还可以被进一步加工成高导电线电缆、高导高强板材等，具有广泛应用价值；
(3)本发明增加了传动系统，铜箔各部分被依次送入沉积区，在其表面沉积石墨烯，可大量制备铜基石墨烯复合材料，适于大规模生产。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明得到的一种高导电铜基石墨烯复合材料的结构示意图；
图2为本发明一种高导电铜基石墨烯复合材料的制备装置具体实施例1的结构示意图；
图3为本发明一种高导电铜基石墨烯复合材料的制备装置具体实施例2的结构示意图；
图4为本发明一种高导电铜基石墨烯复合材料的制备装置具体实施例3的结构示意图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
19-铜箔，20-石墨烯层，1-第一驱动辊，5-第二驱动辊，6-加热装置，2-从动辊，4-沉积区。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上下表面”、“厚度”、“一端”、“另一端”、“两端”、“竖直”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明的一种高导电铜基石墨烯复合材料，包括铜箔19以及石墨烯层20，石墨烯层20与铜箔19交替复合构成卷状结构；石墨烯层20均匀沉积于铜箔19的上下表面。
铜箔19厚度为5μm-25μm，即铜箔19长宽比大于50，厚度不超过25μm，铜箔19为纯度大于99％的纯铜；具体采用厚度为20μm，宽度为5cm，铜箔19长宽比为300:1；石墨烯层20和铜箔19缠绕两圈及以上；石墨烯层20的层数为1-2层，即为单层或双层，本具体实施例中石墨烯层20缠绕圈数如图1所示为14圈，具体的石墨烯层20层数为设于铜箔19两侧的双层。
具体实施例1：
如图2所示，一种高导电铜基石墨烯复合材料的制备装置，包括连接铜箔一端的第一驱动辊1、连接铜箔另一端的第二驱动辊5、位于第一驱动辊1与的第二驱动辊5之间对铜箔19进行限位的从动辊2、驱动装置以及沉积系统，沉积系统包括加热装置6和供气装置；驱动装置为第一驱动辊1和第二驱动辊5提供动力；第一驱动辊1和第二驱动辊5分别位于沉积系统的两端；铜箔19两端连接在第一驱动辊1和第二驱动辊5上，并经从动辊2固定；
通过化学气相沉积法在从动辊2限位中部的铜箔19两表面生成石墨烯层20，在第一驱动辊1与第二驱动辊5驱动作用下使铜箔19依次通过铜箔19周围发生化学气相沉积反应的沉积区4，得到包覆石墨烯层20的复合材料，并交替复合构成卷状结构，最终得到如图1所示的交替复合构成卷状结构。
如图2所示，本具体实施例中从动辊2设置有一个，铜箔19沿从动辊2轴向方向不重合的缠绕在从动辊2上，从动辊2水平放置并穿过沉积区4，铜箔19两次通过沉积区4；驱动装置用于给第一驱动辊1与第二驱动辊5提供动力；供气装置用于提供沉积石墨烯所需的碳源前驱体和氩气，气体的流动在图2中用箭头说明；第一驱动辊1、第二驱动辊5、从动辊2构成传动系统的主体，运输铜箔19通过沉积区4。在沉积区4中，首先要通入纯氩气，加热装置6将沉积区4温度加热至500℃到1000℃之间，将铜箔19在该温度下保持20到30分钟，铜箔19被退火。然后由碳源前驱体(如甲烷)和氩气组成的混合气体循环流过铜箔19表面，碳源前驱体提供的碳原子将沉积在铜箔19表面生成石墨烯层20。当甲烷气体的体积浓度在0.1％和0.2％之间时，可以得到单层生长的石墨烯，其覆盖率一般在95％以上，更高的甲烷浓度会导致多层石墨烯层20的形成；
如图2所示的单面沉积装置可被用于在铜箔19的一侧表面沉积石墨烯层20；为了在铜箔19的两面都沉积石墨烯，可将铜箔19的表面取反后再次通过该装置。将铜箔19表面取反有多种简易的操作方法，在此不再赘述；
具体实施例2：
如图3所示，本发明提供了一种用于高导电铜基石墨烯复合材料的双面沉积装置。图3所示的双面沉积装置和图2所示的单面沉积装置大致类似，但是铜箔19在水平通过沉积区时被悬空。详细介绍如下：该装置包括第一驱动辊1、第二驱动辊5、两个从动辊2、铜箔19、加热装置6。驱动装置和供气装置在图3中未显示。气体的流动在图3中用箭头说明。沉积区未标出，其大致具有与图2类似的相对位置。第一驱动辊1、第二驱动辊5、两个从动辊2构成传动系统的主体，运输铜箔19通过沉积区。退火和沉积可按上述图2相同的方式进行。
在如图3所示的双面沉积装置中，由于沉积区的铜箔19是悬空的，碳源前驱体和氩气混合气体可在铜箔19的两个对立面上通过并循环，所以石墨烯可同时沉积在铜箔19的两个表面上，从而提高工作效率，减少加工时间。但在重力的作用下，铜箔下表面石墨烯覆盖率可能不高，铜箔19两表面的石墨烯覆盖不均匀。为此，本发明提出了另一种优化的双面沉积装置.
具体实施例3：
如图4所示，本发明提供了一种用于高导电铜基石墨烯复合材料的优化的双面沉积装置。图4所示的优化的双面沉积装置和图3所示的双面沉积装置大致类似，但在图3的装置中铜箔19是被水平地运输通过沉积区，在图4的装置中铜箔19是被竖直地运输通过沉积区。详细介绍如下：该装置包括第一驱动辊1、第二驱动辊5、两个从动辊2、铜箔19、加热装置6。驱动装置和供气装置在图4中未显示。气体的流动在图4中用箭头说明。沉积区未标出，其大致具有与图2类似的相对位置。第一驱动辊1、第二驱动辊5、两个从动辊2构成传动系统的主体，运输铜箔19通过沉积区。退火和沉积可按上述图2相同的方式进行。
在如图4所示的优化的双面沉积装置中，由于沉积区的铜箔19是竖直通过的，即与重力方向对应，这样可以使石墨烯层同时在铜箔19的两个表面均匀沉积。
通过上述制备方法，在每种装置的后驱动辊上可收集得到大量的双面包覆石墨烯层20的铜箔19，通过进一步的卷曲、包裹，可得到如图1所示的具有卷状结构的复合材料，卷状复合材料由铜19和石墨烯20组成。
由于石墨烯是通过化学气相沉积得到的，其结构十分完整，且几乎覆盖了铜箔的整个表面，所以在卷状复合材料中，石墨烯沿垂直于面内方向是连续的，可以给电子提供连续的石墨烯导电通道。得益于石墨烯高载流子迁移率的本征特性，卷状复合材料将具有远超过铜的电导率。进一步的，卷状复合材料经过拉丝成线工艺可用于生产高导电线电缆，而经过致密加工则可以形成高强高导的板材，卷状复合材料的应用十分广泛。
本发明在传统的化学气相沉积装置的基础上，通过增加传动系统，使铜箔依次通过沉积区，可实现复合材料的大规模制备，经卷曲、包裹后得到的卷状复合材料将具有远超过铜的电导率。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (8)
1.一种高导电铜基石墨烯复合材料，其特征在于，包括铜箔(19)以及石墨烯层(20)，所述石墨烯层(20)与铜箔(19)交替复合构成卷状结构；所述石墨烯层(20)均匀沉积于铜箔(19)的上下表面。
2.根据权利要求1所述的一种高导电铜基石墨烯复合材料，其特征在于：所述铜箔(19)厚度为5μm-25μm，铜箔(19)的纯度高于99％。
3.根据权利要求1所述的一种高导电铜基石墨烯复合材料，其特征在于：所述石墨烯层(20)和铜箔(19)缠绕两圈及以上。
4.根据权利要求1所述的一种高导电铜基石墨烯复合材料，其特征在于：所述石墨烯层(20)的层数为1-2层。
5.一种高导电铜基石墨烯复合材料的制备装置，用于对如权利要求1-4任一项所述的高导电铜基石墨烯复合材料进行制备，其特征在于：至少包括沉积系统、驱动装置、连接铜箔(19)一端的第一驱动辊(1)、连接铜箔(19)另一端的第二驱动辊(5)、位于第一驱动辊(1)与的第二驱动辊(5)之间对铜箔(19)进行限位的从动辊，所述沉积系统包括加热装置和供气装置；
通过化学气相沉积法在从动辊限位中部的铜箔(19)两表面生成石墨烯层(20)，在第一驱动辊(1)与第二驱动辊(5)驱动作用下使铜箔(19)依次通过铜箔周围发生化学气相沉积反应的沉积区，得到包覆石墨烯层(20)的复合材料，并交替复合构成卷状结构。
6.根据权利要求5所述的一种高导电铜基石墨烯复合材料的制备装置，其特征在于：所述从动辊设置有一个，所述铜箔(19)沿从动辊轴向方向不重合的缠绕在从动辊上，从动辊水平放置并穿过沉积区，所述铜箔(19)两次通过沉积区。
7.根据权利要求5所述的高导电铜基石墨烯复合材料制备装置，其特征在于：所述从动辊设置有两个，分别位于沉积区两侧，同时也位于铜箔(19)下方，在第一驱动辊(1)、第二驱动辊(5)与两个从动辊配合下，使铜箔(19)悬空并水平通过沉积区。
8.根据权利要求5所述的高导电铜基石墨烯复合材料制备装置，其特征在于：所述从动辊设置有两个，一个从动辊位于沉积区上方、铜箔(19)下方，另一个从动辊位于沉积区下方、铜箔(19)上方，使铜箔(19)悬空并竖直通过沉积区。
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2023
- 2023-03-23 CN CN202310290829.9A patent/CN116469602A/zh active Pending
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| CN117410013B (zh) * | 2023-12-14 | 2024-03-12 | 浙江正泰电器股份有限公司 | 一种石墨烯导体及石墨烯导体的制备方法 |
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