本发明属钢芯线表面精细化工技术领域，具体涉及一种石墨烯铜/钢复合材料的制备方法和应用。
背景技术：
近年来，随着通信输电设备的飞速发展，通信同轴电缆在传输高频信号方面的应用越来越普及。同轴电缆在传输高频信号时会产生集肤效应，且集肤效应随信号频率的增加而增加。所谓的集肤效应是指当传输信号频率高达数千赫兹或上万赫兹时，信号将在同轴电缆内导体的外表面和外导体的内表面进行传输；而且信号频率越高，集肤深度越小。为了提高内导体的有效利用率，节约铜材料，同轴电缆内导体常采用铜包钢线。铜包钢复合材料是在钢的表面包覆铜层的双金属材料，它将钢的高强度与铜的优良导电性和耐蚀性结合在一起。此外，铜包钢材料还被广泛应用于电力线路、轨道交通线路和电力电缆屏蔽线路等领域。
目前，由于铜包钢材料用途和质量要求不同，其生产工艺方法主要有以下4种：电镀法、熔铜浸渍法、双铜带压接法和包覆焊接法。其中，电镀法是将铜均匀地镀到钢的表面。电镀法因其具有工艺简单、用铜量较少、生产成本低等优点，所以应用范围较为广泛。但是，电镀法还存在以下不足：1.铜层中混有杂质，降低了铜层的导电性；2.氰化物电镀液有毒，不利于环境保护；3.铜层与钢芯间的结合质量较差。这些缺点限制了电镀法的应用。
传统的同轴电缆内导体用铜包钢材料导电率最高为40％iacs(iacs表示在20℃时国际退火铜标准导电率)。由此可以看出传统的同轴电缆内导体用铜包钢的导电率并不高，有待于进一步提高其导电率。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种配比合理、绿色环保、节约成本、镀层厚度可控的钢芯线镀石墨烯铜溶液，并将其用于制备石墨烯铜/钢复合材料以提高材料的电导率。
石墨烯因其优越的机械性能(1tpa的杨氏模量和130gpa的抗拉强度)、良好的电性能(电阻率约为10-6ω·cm)成为金属基复合材料的理想增强相。因此，将石墨烯分散在(氰化物溶液的替代物)硫酸铜溶液中，形成硫酸铜-石墨烯电镀液，既可以消除氰化物溶液的有害性，又可循环使用，不仅节约成本，而且绿色环保。将硫酸铜-石墨烯电镀液用于对钢芯线进行电镀，制得石墨烯铜/钢复合材料，获得的石墨烯铜镀层表面光亮，厚度均匀，且与钢芯线的结合强度高。此外，通过该方法获得的石墨烯铜/钢复合材料的导电率明显提高。
本发明的技术解决方案是：
石墨烯铜/钢复合材料的制备方法，具体制备方法如下：
(1)配制石墨烯铜/钢复合材料的电镀溶液；
(2)采用步骤(1)的电镀溶液对钢芯线进行电镀，制得石墨烯铜/钢复合材料；电镀过程中所用的脉冲类型为正弦脉冲。
其中，步骤(1)的石墨烯铜/钢复合材料的电镀溶液，电镀液成分按其质量浓度包括：硫酸铜220～280g/l，石墨烯0.1～3.0g/l，非离子表面活性剂0.1～6.0g/l，余量为去离子水，其中，石墨烯粉末与非离子表面活性剂的质量比为1:1～1:2。
石墨烯铜/钢复合材料的电镀溶液的配制方法为：将含表面活性剂的石墨烯溶液和饱和硫酸铜溶液混合，混合后先采用高速分散机搅拌，然后进行超声分散，得到石墨烯铜/钢复合材料的电镀溶液。这样的配制方法使得溶液中的铜离子起到阻隔和分离石墨烯的作用，防止石墨烯的团聚和分散不均。
步骤(2)电镀过程中采用正弦脉冲的电参数为：电流密度范围为500～3000a/m2，脉冲电流频率为250hz，脉冲宽度为25s。
电镀溶液的工艺环境为：电镀溶液的温度控制在20～70℃之间，电镀溶液ph范围为2.0～5.0；电镀过程所用时间为0.5～4.0h。
本发明电镀工艺选择的脉冲类型是正弦脉冲。电镀领域常用的脉冲是矩形脉冲，但在电镀过程中若采用矩形脉冲，电流密度会发生突变(电流密度越大，镀层晶粒越细小)，容易使镀层组织不均匀。而本发明采用正弦脉冲电镀，镀层组织均匀。
此外，本发明在电镀过程中还通过调节镀液ph控制石墨烯铜/钢复合材料中石墨烯铜镀层的体积比。
本发明所用的硫酸铜-石墨烯镀液无毒，镀液配比合理，可循环使用，不仅节约成本，而且绿色环保；用其制得的石墨烯铜镀层表面光亮，且与钢芯线的结合强度高。
本发明制得的石墨烯铜/钢复合材料中石墨烯铜的体积比为10～25％，且复合材料的导电率明显高于传统的同轴电缆内导体用铜包钢复合材料，适用于制作传输高频信号的同轴电缆内导线。
本发明的有益效果：
(1)在电镀过程中采用了正弦脉冲，使得石墨烯铜/钢复合材料中石墨烯铜镀层组织更细小均匀。
(2)本发明的基体是钢芯线，进行电镀处理后的石墨烯铜/钢复合材料即可成为传输高频信号的同轴电缆内导线成品，无需经过轧制和拉伸处理，既节约成本和时间，又防止缺陷的产生。
(3)石墨烯铜/钢复合材料中石墨烯铜的体积比为10～25％，且复合材料的导电率明显高于传统的同轴电缆内导体用铜包钢复合材料，适用于制作传输高频信号的同轴电缆内导线。
具体实施方式
本发明下面结合实施例作进一步详述：以下实施例均以配置1l的石墨烯铜镀液为例；
实施例1
石墨烯铜镀液的浓度配比为：硫酸铜220g/l，石墨烯0.1g/l，非离子表面活性剂0.1g/l，石墨烯粉末与非离子表面活性剂的质量比为1:1，余量为去离子水；镀液的工艺环境为：温度20℃，溶液ph＝5.0；脉冲电参数为：电流密度500a/m2，脉冲电流频率为250hz，脉冲宽度为25s，电镀0.5h，在此种配比及工艺环境和电参数下制备的石墨烯铜镀层表面光亮，无孔洞，厚度均匀。获得的石墨烯铜/钢复合材料中石墨烯铜的体积比为10％，且石墨烯铜镀层与钢芯线界面结合良好；此外，石墨烯铜/钢复合材料的导电率为50.7％iacs。
实施例2
当石墨烯铜镀液的浓度配比为：硫酸铜250g/l，石墨烯1g/l，非离子表面活性剂1.5g/l，石墨烯与非离子表面活性剂的质量比为1:1.5，余量为去离子水；镀液的工艺环境为：温度40℃，溶液ph＝3.0；脉冲电参数为：电流密度1000a/m2，脉冲电流频率为250hz，脉冲宽度为25s，电镀2h，在此种配比及工艺环境和电参数下制备的石墨烯铜镀层表面光亮，无孔洞，厚度均匀。获得的石墨烯铜/钢复合材料中石墨烯铜的体积比为15％，且石墨烯铜镀层与钢芯线界面结合良好；此外，石墨烯铜/钢复合材料的导电率为58.8％iacs。
实施例3
当石墨烯铜镀液的浓度配比为：硫酸铜280g/l，石墨烯2g/l，非离子表面活性剂4g/l，石墨烯与非离子表面活性剂的质量比为1:2，余量为去离子水；镀液的工艺环境为：温度60℃，溶液ph＝3.0；脉冲电参数为：电流密度2000a/m2，脉冲电流频率为250hz，脉冲宽度为25s，电镀2h，在此种配比及工艺环境和电参数下制备的石墨烯铜镀层表面光亮，无孔洞，厚度均匀。获得的石墨烯铜/钢复合材料中石墨烯铜的体积比为20％，且石墨烯铜镀层与钢芯线界面结合良好；此外，石墨烯铜/钢复合材料的导电率为65.5％iacs。
实施例4
当石墨烯铜镀液的浓度配比为：硫酸铜280g/l，石墨烯3g/l，非离子表面活性剂6g/l，石墨烯与非离子表面活性剂的质量比为1:2，余量为去离子水；镀液的工艺环境为：温度70℃，溶液ph＝1.0；脉冲电参数为：电流密度3000a/m2，脉冲电流频率为250hz，脉冲宽度为25s，电镀4h，在此种配比及工艺环境和电参数下制备的石墨烯铜镀层表面光亮，无孔洞，厚度均匀。获得的石墨烯铜/钢复合材料中石墨烯铜的体积比为25％，且石墨烯铜镀层与钢芯线界面结合良好；此外，石墨烯铜/钢复合材料的导电率为70.6％iacs。
对比实施例1
当石墨烯铜镀液的浓度配比为：硫酸铜220g/l，石墨烯0.1g/l，非离子表面活性剂0.1g/l，石墨烯与非离子表面活性剂的质量比为1:1，余量为去离子水；镀液的工艺环境为：温度20℃，溶液ph＝5.0；矩形脉冲的脉冲电参数为：电流密度500a/m2，脉冲电流频率为250hz，脉冲宽度为25s，电镀0.5h，在此种配比及工艺环境和电参数下制备的石墨烯铜镀层表面较暗，组织粗大。获得的石墨烯铜/钢复合材料中石墨烯铜的体积比为10％，其导电率为25.3％iacs。
所述实施例为本发明的优选的实施方式,但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下,本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。