本發(fā)明涉及一種制備石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的方法。

背景技術(shù)：

石墨烯有著良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性以及極高的強(qiáng)度，是人類已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)。石墨烯的應(yīng)用范圍非常廣泛，例如高強(qiáng)高導(dǎo)復(fù)合材料、透明導(dǎo)電電極、電子產(chǎn)品等等。銅基復(fù)合材料有著良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性和加工性能，在電子產(chǎn)品、航空航天以及汽車領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的銅基復(fù)合材料的強(qiáng)度較高，但是導(dǎo)電導(dǎo)熱性會有所降低。石墨烯因其良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性和強(qiáng)度，是理想的銅基增強(qiáng)體。

目前石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備方法主要有四種：采用分子水平的混合方法將石墨烯分散在銅基體中，后采用放電等離子燒結(jié)；通過原位化學(xué)還原方法合成石墨烯納米片，以此為基體通過放電等離子燒結(jié)；通過球磨和異步軋制的方法制備多層石墨烯銅基復(fù)合材料；通過化學(xué)氣相沉積法在銅表面沉積一層石墨烯，后采用電化學(xué)沉積的方法重復(fù)操作。

采用上述法制備石墨烯銅基復(fù)合材料確實(shí)可以提高材料的力學(xué)性能，但是由于制備的過程比較繁瑣，對試驗(yàn)設(shè)備有較高的要求，生產(chǎn)成本相對太高，故多用于實(shí)驗(yàn)室小試，尚不能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。而成本較低的傳統(tǒng)熔鑄法的難點(diǎn)在于，石墨烯具有密度小以及與金屬基體之間潤濕性能差等問題，難以實(shí)現(xiàn)均勻分散及與金屬基體牢固結(jié)合等等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所提供的制備石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的方法，是針對傳統(tǒng)熔鑄工藝中石墨烯密度小以及與銅之間潤濕性能差等問題，通過改善熔煉鑄造技術(shù)工藝，達(dá)到石墨烯在銅基體中均勻分布以提升材料強(qiáng)度、硬度的目的。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種制備石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的方法，包括如下步驟：

1）準(zhǔn)備平底模具，并將模具底平面調(diào)整為水平；準(zhǔn)備石墨烯粉料、純銅粉料，混合后置于研磨器皿中研磨均勻或置于研磨器皿中混合并研磨均勻；混合均勻的粉末均勻平鋪于所述模具的底部；

2）在所述粉末的上面覆蓋與所述模具的底部尺寸適配的薄純銅片，所述薄純銅片與底部側(cè)壁的縫隙小于0. 5毫米；

3）將熔煉好的銅液緩慢澆鑄進(jìn)模具中；

4）冷卻后，得到石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料。

進(jìn)一步，石墨烯在鑄成的銅錠中的體積百分比為0.1%≤石墨烯≤2.0%。

進(jìn)一步，步驟1）中所述石墨烯粉料為單質(zhì)形式。

進(jìn)一步，步驟1）中在大氣條件下將純銅粉與石墨烯粉末混合，置于研磨器皿中研磨均勻。

進(jìn)一步，步驟1）中純銅粉與石墨烯粉末體積比在18: 1至22: 1之間。

進(jìn)一步，步驟1）中研磨時(shí)間在20秒至70秒之間。

進(jìn)一步，步驟2）中所述薄純銅片厚度與所述石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料厚度比在1:20至1:30之間。

進(jìn)一步，步驟1）中所述純銅粉末、純銅片的雜質(zhì)含量均小于0.5%。

進(jìn)一步，步驟3）中所述銅液的溫度在1080℃至1200℃之間。

進(jìn)一步，步驟3）中所述銅液的澆注速度控制在模具內(nèi)液面上升速度保持在0.5 mm/s至1.5mm/s之間。

本發(fā)明中，混合均勻的石墨烯與銅粉加以純銅片覆蓋，且澆鑄速度不超過1mm/s，控制澆鑄過程中銅液流動對石墨烯分散過程的影響，澆鑄溫度不低于1080℃且不高于1200℃，有利于銅液凝固過程中體積收縮以強(qiáng)化與石墨烯結(jié)合效果。本發(fā)明能夠顯著改善使用熔鑄方法制備石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料過程中石墨烯在銅基體中的分布，提升材料強(qiáng)度、硬度，該方法中石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的平均硬度可達(dá)80HV以上，常溫下電導(dǎo)率不低于80%IACS，常溫下導(dǎo)熱系數(shù)不低于339w/(mK)。

具體實(shí)施方式

下面利用實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行更全面的說明。本發(fā)明可以體現(xiàn)為多種不同形式，并不應(yīng)理解為局限于這里敘述的示例性實(shí)施例。

為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)到預(yù)定技術(shù)目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合較佳實(shí)施例，對本發(fā)明的工藝過程、特征以及功效詳細(xì)說明如后。

實(shí)施例1

1）準(zhǔn)備平底模具，并將模具底平面調(diào)整為水平；準(zhǔn)備石墨烯粉料1體積份、純銅粉料18體積份，混合后置于研磨器皿中研磨均勻；研磨時(shí)間為30秒；混合均勻的粉末均勻平鋪于模具的底部。

2）在粉末的上面覆蓋與模具的底部尺寸適配的1mm厚薄純銅片，薄純銅片與底部側(cè)壁的縫隙為0. 5毫米。

3）將熔煉好的溫度為1080℃銅液緩慢澆鑄進(jìn)模具中；銅液的澆注速度控制在模具內(nèi)液面上升速度保持在0.5 mm/s。銅液與薄純銅片體積份之和為991份。石墨烯與銅體積比為0.1%。

4）冷卻后，得到石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料30mm，經(jīng)測定平均硬度為81HV，常溫下電導(dǎo)率為96%IACS，常溫下導(dǎo)熱系數(shù)為370w/(mK)。

實(shí)施例2

1）準(zhǔn)備平底模具，并將模具底平面調(diào)整為水平；準(zhǔn)備石墨烯粉料5體積份、純銅粉料92體積份，混合后置于研磨器皿中研磨均勻；研磨時(shí)間為20秒；混合均勻的粉末均勻平鋪于模具的底部。

2）在粉末的上面覆蓋與模具的底部尺寸適配的0.8mm厚薄純銅片，薄純銅片與底部側(cè)壁的縫隙為0. 3毫米。

3）將熔煉好的溫度為1080℃銅液緩慢澆鑄進(jìn)模具中；銅液的澆注速度控制在模具內(nèi)液面上升速度保持在1 mm/s。銅液與薄純銅片體積份之和為903份。石墨烯與銅體積比為0.5%。

4）冷卻后，得到石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料25mm，經(jīng)測定平均硬度為93HV，常溫下電導(dǎo)率為91%IACS，常溫下導(dǎo)熱系數(shù)為368w/(mK)。

實(shí)施例3

1）準(zhǔn)備平底模具，并將模具底平面調(diào)整為水平；準(zhǔn)備石墨烯粉料10體積份、純銅粉料190體積份，混合后置于研磨器皿中研磨均勻；研磨時(shí)間為70秒；混合均勻的粉末均勻平鋪于模具的底部。

2）在粉末的上面覆蓋與模具的底部尺寸適配的1mm厚薄純銅片，薄純銅片與底部側(cè)壁的縫隙為0. 2毫米。

3）將熔煉好的溫度為1080℃銅液緩慢澆鑄進(jìn)模具中；銅液的澆注速度控制在模具內(nèi)液面上升速度保持在1.5 mm/s。銅液與薄純銅片體積份之和為800份。石墨烯與銅體積比為1%。

4）冷卻后，得到石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料26mm，經(jīng)測定平均硬度為100HV，常溫下電導(dǎo)率為88%IACS，常溫下導(dǎo)熱系數(shù)為365w/(mK)。

實(shí)施例4

1）準(zhǔn)備平底模具，并將模具底平面調(diào)整為水平；準(zhǔn)備石墨烯粉料15體積份、純銅粉料300體積份，混合后置于研磨器皿中研磨均勻；研磨時(shí)間為70秒；混合均勻的粉末均勻平鋪于模具的底部。

2）在粉末的上面覆蓋與模具的底部尺寸適配的0.3mm厚薄純銅片，薄純銅片與底部側(cè)壁的縫隙為0. 5毫米。

3）將熔煉好的溫度為1080℃銅液緩慢澆鑄進(jìn)模具中；銅液的澆注速度控制在模具內(nèi)液面上升速度保持在1.2 mm/s。銅液與薄純銅片體積份之和為685份。石墨烯與銅體積比為1.5%。

4）冷卻后，得到石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料8mm，經(jīng)測定平均硬度為115HV，常溫下電導(dǎo)率為84%IACS，常溫下導(dǎo)熱系數(shù)為363w/(mK)。

實(shí)施例5

1）準(zhǔn)備平底模具，并將模具底平面調(diào)整為水平；準(zhǔn)備石墨烯粉料20體積份、純銅粉料400體積份，混合后置于研磨器皿中研磨均勻；研磨時(shí)間為50秒；混合均勻的粉末均勻平鋪于模具的底部。

2）在粉末的上面覆蓋與模具的底部尺寸適配的1mm厚薄純銅片，薄純銅片與底部側(cè)壁的縫隙為0. 5毫米。

3）將熔煉好的溫度為1080℃銅液緩慢澆鑄進(jìn)模具中；銅液的澆注速度控制在模具內(nèi)液面上升速度保持在0.7 mm/s。銅液與薄純銅片體積份之和為580份。石墨烯與銅體積比為2%。

4）冷卻后，得到石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料20mm，經(jīng)測定平均硬度為119HV，常溫下電導(dǎo)率為83%IACS，常溫下導(dǎo)熱系數(shù)為361w/(mK)。

實(shí)施例6

1）準(zhǔn)備平底模具，并將模具底平面調(diào)整為水平；準(zhǔn)備石墨烯粉料1體積份、純銅粉料18體積份，混合后置于研磨器皿中研磨均勻；研磨時(shí)間為50秒；混合均勻的粉末均勻平鋪于模具的底部。

2）在粉末的上面覆蓋與模具的底部尺寸適配的1mm厚薄純銅片，薄純銅片與底部側(cè)壁的縫隙為0. 5毫米。

3）將熔煉好的溫度為1140℃銅液緩慢澆鑄進(jìn)模具中；銅液的澆注速度控制在模具內(nèi)液面上升速度保持在0.7 mm/s。銅液與薄純銅片體積份之和為981份。石墨烯與銅體積比為0.1%。

4）冷卻后，得到石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料30mm，經(jīng)測定平均硬度為116HV，常溫下電導(dǎo)率為90%IACS，常溫下導(dǎo)熱系數(shù)為353w/(mK)。

實(shí)施例7

1）準(zhǔn)備平底模具，并將模具底平面調(diào)整為水平；準(zhǔn)備石墨烯粉料5體積份、純銅粉料92體積份，混合后置于研磨器皿中研磨均勻；研磨時(shí)間為40秒；混合均勻的粉末均勻平鋪于模具的底部。

2）在粉末的上面覆蓋與模具的底部尺寸適配的1mm厚薄純銅片，薄純銅片與底部側(cè)壁的縫隙為0. 5毫米。

3）將熔煉好的溫度為1140℃銅液緩慢澆鑄進(jìn)模具中；銅液的澆注速度控制在模具內(nèi)液面上升速度保持在1 mm/s。銅液與薄純銅片體積份之和為903份。石墨烯與銅體積比為0.5%。

4）冷卻后，得到石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料27mm，經(jīng)測定平均硬度為122HV，常溫下電導(dǎo)率為88%IACS，常溫下導(dǎo)熱系數(shù)為351w/(mK)。

實(shí)施例8

1）準(zhǔn)備平底模具，并將模具底平面調(diào)整為水平；準(zhǔn)備石墨烯粉料10體積份、純銅粉料190體積份，混合后置于研磨器皿中研磨均勻；研磨時(shí)間為60秒；混合均勻的粉末均勻平鋪于模具的底部。

2）在粉末的上面覆蓋與模具的底部尺寸適配的1mm厚薄純銅片，薄純銅片與底部側(cè)壁的縫隙為0. 5毫米。

3）將熔煉好的溫度為1140℃銅液緩慢澆鑄進(jìn)模具中；銅液的澆注速度控制在模具內(nèi)液面上升速度保持在1 mm/s。銅液與薄純銅片體積份之和為800份。石墨烯與銅體積比為1%。

4）冷卻后，得到石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料25mm，經(jīng)測定平均硬度為127HV，常溫下電導(dǎo)率為86%IACS，常溫下導(dǎo)熱系數(shù)為349w/(mK)。

實(shí)施例9

1）準(zhǔn)備平底模具，并將模具底平面調(diào)整為水平；準(zhǔn)備石墨烯粉料15體積份、純銅粉料300體積份，混合后置于研磨器皿中研磨均勻；研磨時(shí)間為60秒；混合均勻的粉末均勻平鋪于模具的底部。

2）在粉末的上面覆蓋與模具的底部尺寸適配的1mm厚薄純銅片，薄純銅片與底部側(cè)壁的縫隙為0. 5毫米。

3）將熔煉好的溫度為1140℃銅液緩慢澆鑄進(jìn)模具中；銅液的澆注速度控制在模具內(nèi)液面上升速度保持在1 mm/s。銅液與薄純銅片體積份之和為685份。石墨烯與銅體積比為1.5%。

4）冷卻后，得到石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料23mm，經(jīng)測定平均硬度為130HV，常溫下電導(dǎo)率為84%IACS，常溫下導(dǎo)熱系數(shù)為346w/(mK)。

實(shí)施例10

1）準(zhǔn)備平底模具，并將模具底平面調(diào)整為水平；準(zhǔn)備石墨烯粉料20體積份、純銅粉料400體積份，混合后置于研磨器皿中研磨均勻；研磨時(shí)間為60秒；混合均勻的粉末均勻平鋪于模具的底部。

2）在粉末的上面覆蓋與模具的底部尺寸適配的1mm厚薄純銅片，薄純銅片與底部側(cè)壁的縫隙為0. 5毫米。

3）將熔煉好的溫度為1140℃銅液緩慢澆鑄進(jìn)模具中；銅液的澆注速度控制在模具內(nèi)液面上升速度保持在1 mm/s。銅液與薄純銅片體積份之和為580份。石墨烯與銅體積比為2%。

4）冷卻后，得到石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料28mm，經(jīng)測定平均硬度為139HV，常溫下電導(dǎo)率為80%IACS，常溫下導(dǎo)熱系數(shù)為339w/(mK)。

實(shí)施例11

1）準(zhǔn)備平底模具，并將模具底平面調(diào)整為水平；準(zhǔn)備石墨烯粉料1體積份、純銅粉料18體積份，混合后置于研磨器皿中研磨均勻；研磨時(shí)間為60秒；混合均勻的粉末均勻平鋪于模具的底部。

2）在粉末的上面覆蓋與模具的底部尺寸適配的1mm厚薄純銅片，薄純銅片與底部側(cè)壁的縫隙為0. 5毫米。

3）將熔煉好的溫度為1200℃銅液緩慢澆鑄進(jìn)模具中；銅液的澆注速度控制在模具內(nèi)液面上升速度保持在1 mm/s。銅液與薄純銅片體積份之和為981份。石墨烯與銅體積比為0.1%。

4）冷卻后，得到石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料30mm，經(jīng)測定平均硬度為84HV，常溫下電導(dǎo)率為94%IACS，常溫下導(dǎo)熱系數(shù)為364w/(mK)。

實(shí)施例12

1）準(zhǔn)備平底模具，并將模具底平面調(diào)整為水平；準(zhǔn)備石墨烯粉料5體積份、純銅粉料92體積份，混合后置于研磨器皿中研磨均勻；研磨時(shí)間為60秒；混合均勻的粉末均勻平鋪于模具的底部。

2）在粉末的上面覆蓋與模具的底部尺寸適配的1mm厚薄純銅片，薄純銅片與底部側(cè)壁的縫隙為0. 5毫米。

3）將熔煉好的溫度為1200℃銅液緩慢澆鑄進(jìn)模具中；銅液的澆注速度控制在模具內(nèi)液面上升速度保持在1 mm/s。銅液與薄純銅片體積份之和為903份。石墨烯與銅體積比為0.5%。

4）冷卻后，得到石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料25mm，經(jīng)測定平均硬度為98HV，常溫下電導(dǎo)率為89%IACS，常溫下導(dǎo)熱系數(shù)為366w/(mK)。

實(shí)施例13

1）準(zhǔn)備平底模具，并將模具底平面調(diào)整為水平；準(zhǔn)備石墨烯粉料10體積份，純銅粉料190體積份，混合后置于研磨器皿中研磨均勻；研磨時(shí)間為60秒；混合均勻的粉末均勻平鋪于模具的底部。

2）在粉末的上面覆蓋與模具的底部尺寸適配的1mm厚薄純銅片，薄純銅片與底部側(cè)壁的縫隙為0. 5毫米。

3）將熔煉好的溫度為1200℃銅液緩慢澆鑄進(jìn)模具中；銅液的澆注速度控制在模具內(nèi)液面上升速度保持在1 mm/s。銅液與薄純銅片體積份之和為800份。石墨烯與銅體積比為1%。

4）冷卻后，得到石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料27mm，經(jīng)測定平均硬度為100HV，常溫下電導(dǎo)率為88%IACS，常溫下導(dǎo)熱系數(shù)為367w/(mK)。

實(shí)施例14

1）準(zhǔn)備平底模具，并將模具底平面調(diào)整為水平；準(zhǔn)備石墨烯粉料15體積份，純銅粉料300體積份，混合后置于研磨器皿中研磨均勻；研磨時(shí)間為60秒；混合均勻的粉末均勻平鋪于模具的底部。

2）在粉末的上面覆蓋與模具的底部尺寸適配的1mm厚薄純銅片，薄純銅片與底部側(cè)壁的縫隙為0. 5毫米。

3）將熔煉好的溫度為1200℃銅液緩慢澆鑄進(jìn)模具中；銅液的澆注速度控制在模具內(nèi)液面上升速度保持在1 mm/s。銅液與薄純銅片體積份之和為685份。石墨烯與銅體積比為1.5%。

4）冷卻后，得到石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料30mm，經(jīng)測定平均硬度為105HV，常溫下電導(dǎo)率為86%IACS，常溫下導(dǎo)熱系數(shù)為366w/(mK)。

實(shí)施例15

1）準(zhǔn)備平底模具，并將模具底平面調(diào)整為水平；準(zhǔn)備石墨烯粉料20體積份，純銅粉料440體積份，混合后置于研磨器皿中研磨均勻；研磨時(shí)間為60秒；混合均勻的粉末均勻平鋪于模具的底部。

2）在粉末的上面覆蓋與模具的底部尺寸適配的1mm厚薄純銅片，薄純銅片與底部側(cè)壁的縫隙為0. 5毫米。

3）將熔煉好的溫度為1200℃銅液緩慢澆鑄進(jìn)模具中；銅液的澆注速度控制在模具內(nèi)液面上升速度保持在1 mm/s。銅液與薄純銅片體積份之和為540份。石墨烯與銅體積比為2%。

4）冷卻后，得到石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料25mm，經(jīng)測定平均硬度為109HV，常溫下電導(dǎo)率為84%IACS，常溫下導(dǎo)熱系數(shù)為362w/(mK)。

以上實(shí)施例中純銅粉末、純銅片的雜質(zhì)含量均小于0.5%；銅液也采用雜質(zhì)含量小于0.5%的銅錠熔煉。石墨烯粉料均為單質(zhì)形式。

上述示例只是用于說明本發(fā)明，除此之外，還有多種不同的實(shí)施方式，而這些實(shí)施方式都是本領(lǐng)域技術(shù)人員在領(lǐng)悟本發(fā)明思想后能夠想到的，故，在此不再一一列舉。