铜-石墨烯复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001 ]本发明设及一种铜-石墨締复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着航空航天、交通、机械工业、能源化工、通讯、电气、电力电子和国防工业等领 域的飞速发展，工业界对铜或铜合金的导电性能要求越来越高。为了获得高导电的铜或铜 合金材料，国内外科学界与产业界开展了广泛的研究，并已开发出铜银合金、氧化侣弥散强 化铜等高导电铜合金材料与复合材料。虽然运些合金或复合材料可满足高导电的性能要 求，但由于运些材料含有贵金属或制备工艺复杂，因此运些材料得不到广泛的应用。工业界 对导电性能优良且制备工艺相对简单的铜合金或其复合材料的需求越来越紧迫。
[0003] 石墨締是碳原子Wsp2杂化连接的单原子层构成的新型二维原子晶体，其价带与 导带在费米能级相交，表现出半导体的性质而且能隙为零，载流子在费米能级处呈现出一 种线性的色散关系，具有奇特的性质：强度达130G化、热导率高达5150J/(m ? K)、载流子迁 移率达到1.5X104cm2?V-l?s-l、透明度约97.7%、比表面积理论值为2630mVg，杨氏模量 约为IlOOGPa。
[0004] 现有的铜-石墨締复合材料的研发，基本上都集中在导电性能的改善上，后续的成 型加工性能都不理想，而运恰恰形成了铜-石墨締复合材料的应用瓶颈；同时现有的制备方 法不可避免地会带入杂质儀，影响铜-石墨締复合材料的化学成分与微观组织，从而对其综 合性能造成影响。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状提供一种导电性能好、力学性 能优于纯铜且加工性能好的铜-石墨締复合材料。
[0006] 本发明所要解决的另一个技术问题是针对现有技术的现状提供一种导电性能好、 力学性能优于纯铜且加工性能好的铜-石墨締复合材料的制备方法。
[0007] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:该铜-石墨締复合材料，包括石墨 締和铜，其特征在于所述石墨締 W片状结构均布在铜基体中，所述石墨締的分布密度为100 片/厘米2至3000片/厘米2。
[000引所述石墨締含量为0.01%~0.30讯1%，余量为化。
[0009] 上述铜-石墨締复合材料的制备方法，其特征在于包括下述步骤：
[0010] 1)在氣气保护气氛中将粒径为450纳米~550纳米的铜粉和石墨締进行球磨，使两 者混合均匀;所述球磨时间优选为2~4小时。
[0011] 2)在氣气保护下进行热压烧结，烧结压力为4吨~8吨，烧结溫度为850°C~1050 °C，烧结保溫时间为3小时~6小时；
[001^ 当压力低于4吨时，即使烧结溫度超过1050°C，混合粉末经6小时W上的烧结后也 无法烧结成完整的巧料，从烧结炉中取出后巧料发生碎裂。当压力大于8吨时，烧结模具容 易发生碎裂。因此本发明的烧结压力取4吨~8吨。当烧结溫度低于850°C时，即使采用8吨的 压力，并烧结6小时W上，烧结完成后巧料发生碎裂，没有形成一个整体。当烧结溫度超过 1050°C时，烧结完成后巧料中铜粉颗粒发生长大形成粗大的铜颗粒，影响铜-石墨締复合材 料的微观组织。
[0013] 3)在850°C~1050°C下进行热等静压，W氣气做施压介质，热等静压的压强为 ieOMPa~200MPa，保溫时间为3小时~6小时。
[0014] 当热等静压的压强低于160M化时，即使烧结溫度高于1050°C、烧结时间超过6小 时，热等静压后铜-石墨締复合材料巧料的石墨締分布密度没有发生改变，说明压强低于 160M化时，热等静压对提高复合材料巧料的石墨締分布密度没有帮助；当热等静压的压强 大于200M化时，铜-石墨締复合材料巧料经过850°C保溫3小时热等静压与经过1050°C保溫6 小时热等静压的石墨締分布密度相等。当保溫溫度低于850°C，采用200MPaW上的压强且保 溫6小时W上，铜-石墨締复合材料巧料的石墨締分布密度仍然较低；当保溫溫度超过1050 °C时，热等静压后铜-石墨締复合材料巧料中的铜颗粒发生长大现象。热等静压时间低于3 小时，铜-石墨締复合材料巧料的石墨締分布密度提高不明显；热等静压时间超过6小时， 铜-石墨締复合材料巧料中的铜颗粒发生长大。
[00巧]较好的、所述热压烧结过程如下：首先抽真空，当真空度达到。〇-2化后，W10 ± 1 XV分钟的速度升溫至所述烧结溫度后开始保溫并计时。
[0016] 本发明采用球磨混粉的方法使纳米级的铜粉与石墨締混合均匀，热压预烧结然后 热等静压的方法制备铜-石墨締复合材料的巧料，其中热等静压步骤可大幅提高石墨締与 铜基体的结合能力，石墨締与铜基体结合紧密，且避免了铜的氧化，两者的结合强度大大提 高，石墨締 W片状结构均匀地分布在铜基体中，且使铜-石墨締复合材料中的石墨締分布密 度可控;所制备得到铜-石墨締巧料冷、热成型性能优良，可通过冷、热压力加工的方式制备 铜-石墨締复合材料线材，从而制备出消费电子、电气、航空航天、高铁、引线框架与电子接 插件制备领域所需的中强高导铜-石墨締复合材料线材等型材。
[0017] 本发明在铜中添加石墨締制成铜-石墨締复合材料，铜基体可作为导电主体使该 复合材料的导电性能接近于纯铜，而石墨締作为增强相，抗拉强度和屈服强度性能均获得 提高；因此该铜-石墨締复合材料可广泛应用于消费电子、电气、航空航天、高铁、引线框架 与电子接插件制备领域;本发明所提供的制备方法适合工业化、规模化生产。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明实施例1制备的巧料放大3万倍的电镜照片。
【具体实施方式】
[0019] W下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
[0020] 实施例1
[0021] W粒径为500纳米的铜粉与石墨締为原材料，石墨締含量为O.Olwt%，采用氣气做 保护气体进行球磨混粉，球磨时间为3小时。球磨混粉完成后，在充氣气保护的手套箱中把 混合粉末装入热压烧结模中，把装有混合粉末的热压烧结模装入热压烧结炉中，当真空度 达到。(T中a后开始W10± rC/min的速度升溫至850°C，恒溫烧结，保溫时间3小时，整个烧 结过程中给混合粉末施加的压力为4吨。热压烧结完成后，把巧料取出进行热等静压，热等 静压W氣气为施压气体，加热升溫速度为1〇± TC/min。热等静压的工艺为:压强leOMPa，在 850°C溫度下，保溫3小时，得到O 50巧料。
[0022] 对巧料进行表面抛光处理，放入扫描电镜的样品室，在真空状态下进行面扫描，得 到的电镜照片如图1所示。
[0023] 图1中标号1为石墨締，其余部分为铜基体。石墨締的分布密度为102片/厘米2,石 墨締的分布密度在扫描电镜下W面积百分比的方法测得，在后续实施例与比较例中采用同 样的方法测石墨締的分布密度。
[0024] 所制O 50巧料经热挤压制备O 12线巧后进行拉伸加工制备线材，所制线材的直径 为5.0mm。
[0025] 实施例2
[00%] W粒径为500纳米的铜粉与石墨締为原材料，石墨締含量为0.15wt%，采用氣气做 保护气体进行球磨混粉，球磨时间