本发明涉及石墨烯复合材料的制备领域，尤其是涉及一种用于增强铜基材料的石墨烯母料及制备方法和应用方法。
背景技术：
：石墨烯，最薄的二维材料，单层的厚度仅0.335nm。从20世纪初，科学家们就对其进行了研究。直到2004年，英国曼彻斯特大学物理学专家安德烈•海姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫利用透明胶带粘接技术制备了单层石墨烯，但当时并没有引起轰动；2005年，同样曼彻斯特大学团队与哥伦比亚大学的研究者证实石墨烯的准粒子（quasiparticle）是无质量迪拉克费米子（diracfermion），从而引发了石墨烯的研究热潮。石墨烯是由碳原子构成的二维新材料，碳原子采用sp2杂化形成了具有蜂巢状的二维晶格结构，这种结构非常稳定，碳-碳键键长只有1.42埃，单层石墨烯只有0.335nm是一种近乎完美的二维晶体结构，石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。石墨烯内部原子的链接很柔韧，当对石墨施加外力作用时，二维平面就会自由变形，碳原子重排形成波浪型，从而保持结构的稳定性。石墨烯是典型的零带隙的半导体，通过sp2杂化形成平面六元环结构，π电子在同一平面上形成离域大π键。这种独特的结构使石墨烯具有独一无二的性质，作为世界上最薄的纳米材料，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，导热系数达到5300w/m.k，比金刚石和碳纳米管更高，室温下电子迁移率达到光速的1/300，电阻率只有10-6ω.cm，比铜和银电阻率更低，是世界上电阻率最小的材料，却有超高的力学性能，达到1060gpa，被证明为当代最牢固的材料，比最好的钢都要坚硬100倍，可以用来制备超强力膜并具有制备“太空电梯”的潜力。石墨烯以其精妙的结构，无以伦比的性能，使之在应用方面具有光明的前景。如利用其超高的电子迁移率应用于电子芯片、晶体管，超高的透光率应用于透明电极，罕有的导热系数应用于界面导热材料，其超高的比表面积应用于超级电容器，石墨烯表面能够容许缺陷从而利用此性质应用于海水淡化，石墨烯在太阳能电池、生物器件、抗菌材料等方面也有非常广泛的应用前景。高导高强的复合材料便是其中重要的一项，其中，铜基复合材料有着良好的导电导热性和加工性能，在电子产品、航空航天以及汽车领域有着广泛的应用。随着各个领域的快速发展，对铜基复合材料的要求越来越高，传统的纤维和颗粒增强体虽然可以提高材料的力学性能，但往往使其导电导热性能降低，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待解决的问题。传统的高强度铜基复合材料导电导热性会有所降低。为此石墨烯因其良好的导电导热性和强度，是理想的铜基增强体。充分发挥石墨烯的优势，制备出高性能的铜基复合材料越来越重要。已有报道，目前通过石墨烯增强铜基材料主要采用熔融或者研磨将石墨烯强制分散于铜基体中。但限于分散难度大、能耗高，工艺复杂，难以大规模生产应用。技术实现要素：鉴于以上缺陷，本发明提出一种用于增强铜基材料的石墨烯母料，其特征是一种含有金属锡的微细丝状石墨烯；并提供该丝状石墨烯的制备方法，将石墨烯与少量的锡熔化混均，然后通过反复喷射拉丝将石墨烯均匀分散于锡中，然后通过拉丝机进行逐级拉丝，形成高石墨烯浓度的微细丝状石墨烯母料；进一步提供丝状石墨烯母料的应用方法，使用时直接与线状的铜丝旋转缠绕,将丝状石墨烯母料与铜丝缠绕在一起,从而大幅提升铜丝的强度、导电性、导热性。显著的优势是克服了石墨烯直接在铜中熔化分散难度大、能耗高，工艺复杂等缺陷，适宜于推动规模化生产，从而促进石墨烯在增强复合材料中的应用。为实现上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：一种用于增强铜基材料的石墨烯母料，其特征是一种含有金属锡的丝状石墨烯，其线径为0.05-0.1mm的圆形。一种用于增强铜基材料的石墨烯母料的制备方法，其特征在于首先石墨烯与少量的锡熔化混均通过喷丝拉伸，将石墨烯均匀分散于金属锡，然后通过拉丝机进行逐级拉丝，形成高石墨烯浓度的微细丝状石墨烯母料，具体步骤如下：（1）石墨烯与锡的分散：将锡在高温炉中加热至熔融，并去除杂质，然后将石墨烯按比例加入高温炉中，在氮气氛围中，正向搅拌一定时间，再反向搅拌一定时间，反复搅拌四次后，逐渐降低搅拌速度，直至停止，并静置一定时间后，移入喷丝装置，通过喷丝装置向上设置的喷嘴喷射形成丝状的喷射流；如此反复以丝状喷射3-4次，通过喷射拉丝将石墨烯均匀分散于金属锡中；（2）挤压成型：将步骤（1）得到的石墨烯与金属锡的分散体挤压成型，设置模温的为180~190℃，通过挤压形成线径为10±1mm的圆柱形石墨烯复合锡丝；（3）石墨烯与锡的拉丝：将步骤（3）得到的圆柱形石墨烯复合锡丝经过于三台拉丝机，大拉、二拉、三拉，每经过一台拉丝机后，使用熔融松香进行涂敷，较佳的保证了拉丝的均匀性、致密性和圆滑性，从而得到线径在0.05-0.1mm的复合细丝，即一种用于增强铜基材料的石墨烯母料。优选的，步骤（1）所述石墨烯与锡的质量比为1:2-4。优选的，步骤（1）所述一次正向及反向搅拌时间为10~20min。优选的，步骤（1）所述喷射装置的喷嘴口径为0.5-1mm，喷射压力为1-3mpa。优选的，步骤（1）所述静置时间为20~30min，较佳的消除气泡。优选的，步骤（3）所述大拉、二拉、三拉得到的细丝线径分别为1-2mm、0.5-1mm、0.05-0.1mm。本发明通过喷丝拉丝将石墨烯均匀分散于金属锡，进一步经过拉丝机逐级拉伸，形成均匀、致密、圆滑的微细丝，即一种用于增强铜基材料的石墨烯母料。将该微细丝作为母料，石墨烯在其中高度分散，用于增强铜丝具有显著的优势，其表现在与铜丝具有良好的缠绕性、相容性。进一步，本发明提供的石墨烯母料，在用于增强铜基材料时，具体的使用方法为：经过螺旋牵引，将微细丝状的石墨烯母料拉伸与铜丝缠绕在一起，形成具有一定螺距的螺旋绕丝，然后改变牵引方向，使其以反方向螺旋缠绕铜丝，然后在氢气氛围下，在一定温度、压力下，使石墨烯与锡的复合细丝与铜丝进行半热熔热合，以增强两者的界面结合强度，从而得到石墨烯增强的铜基材料。优选的，所述螺旋绕丝的螺距为2~3mm。优选的，所述石墨烯与锡的复合细丝与铜丝的热合温度为80~90℃；所述石墨烯与锡的复合细丝与铜丝的热合压力为0.2~0.4mpa。本发明提供了一种用于增强铜基材料的石墨烯母料及制备方法和应用，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：1、本发明提供了一种微细丝状的石墨烯母料，通过缠绕实现了对铜丝的增强。提供了一种新型的石墨烯增强统铜基材料的技术手段。2、本发明通过石墨烯与锡熔化混均后进行反复喷丝拉伸，实现石墨烯均匀分散于金属锡中。3、本发明通过三级拉丝，制备了均匀、致密、圆滑的微细丝，即一种用于增强铜基材料的石墨烯母料。该母料在使用时可以进一步拉伸并与铜丝缠绕，可充分发挥石墨烯本身的优越性能，极大地提升铜丝的力学性能和导电导热性能。4、本发明工艺过程简单，成本低，能耗低，易于推动规模化生产。具体实施方式以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。实施例1一种用于增强铜基材料的石墨烯母料的制备方法和应用方法，具体如下：（1）石墨烯与锡的分散：将2kg锡在高温炉中加热至熔融，并去除杂质，然后将1kg石墨烯加入高温炉中，在氮气氛围中，正向搅拌一定时间，再反向搅拌一定时间，反复搅拌四次后，逐渐降低搅拌速度，直至停止，并静置20min，移入喷丝装置，通过喷丝装置向上设置的喷嘴喷射形成丝状的喷射流；喷射压力为1mpa，如此反复以丝状喷射3次，通过喷射拉丝将石墨烯均匀分散于金属锡中；（2）挤压成型：将步骤（1）得到的石墨烯与金属锡的分散体挤压成型，设置模温的为180~190℃，通过挤压形成线径为10±1mm的圆柱形石墨烯复合锡丝；（3）石墨烯与锡的拉丝：将步骤（3）得到的圆柱形石墨烯复合锡丝经过于三台拉丝机，大拉、二拉、三拉，每经过一台拉丝机后，使用熔融松香进行涂敷，较佳的保证了拉丝的均匀性、致密性和圆滑性，大拉、二拉、三拉得到的细丝线径分别为1-2mm、0.5-1mm、0.05-0.1mm，从而得到线径在0.05-0.1mm的复合细丝，即一种用于增强铜基材料的石墨烯母料。在用于增强铜基材料时，具体的使用方法为：经过螺旋牵引，将微细丝状的石墨烯母料进一步拉伸与铜丝缠绕在一起，形成具有螺旋绕丝的螺距为3mm，然后改变牵引方向，使其以反方向螺旋缠绕铜丝，然后在氢气氛围下，在80~90℃、0.2~0.4mpa压力下，使石墨烯与锡的复合细丝与铜丝进行半热熔热合，以增强两者的界面结合强度，从而得到石墨烯增强的铜基材料。通过对增强铜丝的测试，铜丝的拉伸强度、断裂伸长率显著提高，电阻率降低明显。较佳的显现了本发明微细丝状石墨烯母料改性铜丝的显著优势。具体测试性能见表1。实施例2一种用于增强铜基材料的石墨烯母料的制备方法和应用方法，具体如下：（1）石墨烯与锡的分散：将2kg锡在高温炉中加热至熔融，并去除杂质，然后将1kg石墨烯加入高温炉中，在氮气氛围中，正向搅拌一定时间，再反向搅拌一定时间，反复搅拌四次后，逐渐降低搅拌速度，直至停止，并静置20min，移入喷丝装置，通过喷丝装置向上设置的喷嘴喷射形成丝状的喷射流；喷射压力为1mpa，如此反复以丝状喷射3次，通过喷射拉丝将石墨烯均匀分散于金属锡中；（2）挤压成型：将步骤（1）得到的石墨烯与金属锡的分散体挤压成型，设置模温的为180~190℃，通过挤压形成线径为10±1mm的圆柱形石墨烯复合锡丝；（3）石墨烯与锡的拉丝：将步骤（3）得到的圆柱形石墨烯复合锡丝经过于三台拉丝机，大拉、二拉、三拉，每经过一台拉丝机后，使用熔融松香进行涂敷，较佳的保证了拉丝的均匀性、致密性和圆滑性，大拉、二拉、三拉得到的细丝线径分别为1-2mm、0.5-1mm、0.05-0.1mm，从而得到线径在0.05-0.1mm的复合细丝，即一种用于增强铜基材料的石墨烯母料。在用于增强铜基材料时，具体的使用方法为：经过螺旋牵引，将微细丝状的石墨烯母料进一步拉伸与铜丝缠绕在一起，形成具有螺旋绕丝的螺距为2mm，然后改变牵引方向，使其以反方向螺旋缠绕铜丝，然后在氢气氛围下，在一80~90℃、0.2~0.4mpa压力下，使石墨烯与锡的复合细丝与铜丝进行半热熔热合，以增强两者的界面结合强度，从而得到石墨烯增强的铜基材料。通过对增强铜丝的测试，铜丝的拉伸强度、断裂伸长率显著提高，电阻率降低明显。较佳的显现了本发明微细丝状石墨烯母料改性铜丝的显著优势。具体测试性能见表1。实施例3一种用于增强铜基材料的石墨烯母料的制备方法和应用方法，具体如下：（1）石墨烯与锡的分散：将3kg锡在高温炉中加热至熔融，并去除杂质，然后将1kg石墨烯加入高温炉中，在氮气氛围中，正向搅拌一定时间，再反向搅拌一定时间，反复搅拌四次后，逐渐降低搅拌速度，直至停止，并静置30min，移入喷丝装置，通过喷丝装置向上设置的喷嘴喷射形成丝状的喷射流；喷射压力为2mpa，如此反复以丝状喷射4次，通过喷射拉丝将石墨烯均匀分散于金属锡中；（2）挤压成型：将步骤（1）得到的石墨烯与金属锡的分散体挤压成型，设置模温的为180~190℃，通过挤压形成线径为10±1mm的圆柱形石墨烯复合锡丝；（3）石墨烯与锡的拉丝：将步骤（3）得到的圆柱形石墨烯复合锡丝经过于三台拉丝机，大拉、二拉、三拉，每经过一台拉丝机后，使用熔融松香进行涂敷，较佳的保证了拉丝的均匀性、致密性和圆滑性，大拉、二拉、三拉得到的细丝线径分别为1-2mm、0.5-1mm、0.05-0.1mm，从而得到线径在0.05-0.1mm的复合细丝，即一种用于增强铜基材料的石墨烯母料。在用于增强铜基材料时，具体的使用方法为：经过螺旋牵引，将微细丝状的石墨烯母料进一步拉伸与铜丝缠绕在一起，形成具有螺旋绕丝的螺距为3mm，然后改变牵引方向，使其以反方向螺旋缠绕铜丝，然后在氢气氛围下，在80~90℃、0.2~0.4mpa压力下，使石墨烯与锡的复合细丝与铜丝进行半热熔热合，以增强两者的界面结合强度，从而得到石墨烯增强的铜基材料。通过对增强铜丝的测试，铜丝的拉伸强度、断裂伸长率显著提高，电阻率降低明显。较佳的显现了本发明微细丝状石墨烯母料改性铜丝的显著优势。具体测试性能见表1。实施例4一种用于增强铜基材料的石墨烯母料的制备方法和应用方法，具体如下：（1）石墨烯与锡的分散：将2kg锡在高温炉中加热至熔融，并去除杂质，然后将1kg石墨烯加入高温炉中，在氮气氛围中，正向搅拌一定时间，再反向搅拌一定时间，反复搅拌四次后，逐渐降低搅拌速度，直至停止，并静置20min，移入喷丝装置，通过喷丝装置向上设置的喷嘴喷射形成丝状的喷射流；喷射压力为3mpa，如此反复以丝状喷射4次，通过喷射拉丝将石墨烯均匀分散于金属锡中；（2）挤压成型：将步骤（1）得到的石墨烯与金属锡的分散体挤压成型，设置模温的为180~190℃，通过挤压形成线径为10±1mm的圆柱形石墨烯复合锡丝；（3）石墨烯与锡的拉丝：将步骤（3）得到的圆柱形石墨烯复合锡丝经过于三台拉丝机，大拉、二拉、三拉，每经过一台拉丝机后，使用熔融松香进行涂敷，较佳的保证了拉丝的均匀性、致密性和圆滑性，大拉、二拉、三拉得到的细丝线径分别为1-2mm、0.5-1mm、0.05-0.1mm，从而得到线径在0.05-0.1mm的复合细丝，即一种用于增强铜基材料的石墨烯母料。在用于增强铜基材料时，具体的使用方法为：经过螺旋牵引，将微细丝状的石墨烯母料进一步拉伸与铜丝缠绕在一起，形成具有螺旋绕丝的螺距为2mm，然后改变牵引方向，使其以反方向螺旋缠绕铜丝，然后在氢气氛围下，在80~90℃、0.2~0.4mpa压力下，使石墨烯与锡的复合细丝与铜丝进行半热熔热合，以增强两者的界面结合强度，从而得到石墨烯增强的铜基材料。通过对增强铜丝的测试，铜丝的拉伸强度、断裂伸长率显著提高，电阻率降低明显。较佳的显现了本发明微细丝状石墨烯母料改性铜丝的显著优势。具体测试性能见表1。实施例5一种用于增强铜基材料的石墨烯母料的制备方法和应用方法，具体如下：（1）石墨烯与锡的分散：将4kg锡在高温炉中加热至熔融，并去除杂质，然后将1kg石墨烯加入高温炉中，在氮气氛围中，正向搅拌一定时间，再反向搅拌一定时间，反复搅拌四次后，逐渐降低搅拌速度，直至停止，并静置30min，移入喷丝装置，通过喷丝装置向上设置的喷嘴喷射形成丝状的喷射流；喷射压力为1mpa，如此反复以丝状喷射3次，通过喷射拉丝将石墨烯均匀分散于金属锡中；（2）挤压成型：将步骤（1）得到的石墨烯与金属锡的分散体挤压成型，设置模温的为180~190℃，通过挤压形成线径为10±1mm的圆柱形石墨烯复合锡丝；（3）石墨烯与锡的拉丝：将步骤（3）得到的圆柱形石墨烯复合锡丝经过于三台拉丝机，大拉、二拉、三拉，每经过一台拉丝机后，使用熔融松香进行涂敷，较佳的保证了拉丝的均匀性、致密性和圆滑性，大拉、二拉、三拉得到的细丝线径分别为1-2mm、0.5-1mm、0.05-0.1mm，从而得到线径在0.05-0.1mm的复合细丝，即一种用于增强铜基材料的石墨烯母料。在用于增强铜基材料时，具体的使用方法为：经过螺旋牵引，将微细丝状的石墨烯母料进一步拉伸与铜丝缠绕在一起，形成具有螺旋绕丝的螺距为1mm，然后改变牵引方向，使其以反方向螺旋缠绕铜丝，然后在氢气氛围下，在一80~90℃、0.2~0.4mpa压力下，使石墨烯与锡的复合细丝与铜丝进行半热熔热合，以增强两者的界面结合强度，从而得到石墨烯增强的铜基材料。通过对增强铜丝的测试，铜丝的拉伸强度、断裂伸长率显著提高，电阻率降低明显。较佳的显现了本发明微细丝状石墨烯母料改性铜丝的显著优势。具体测试性能见表1。表1：实施案例抗拉强度（n/mm2）电阻率(ω·m)断裂伸长率（%）未增强铜丝8501.7×10-845实施例115001.0×10-885实施例216000.75×10-870实施例316701.0×10-876实施例417500.80×10-878实施例516200.85×10-872当前第1页12