一种高导电性石墨烯/铜合金材料及其制备和应用的制作方法

本发明属于电工材料，具体地，涉及一种高导电性石墨烯/铜合金材料及其制备和应用。

背景技术：

1、铜(cu)因其优异的电性能而在电子封装、精密电子器件、电路等领域受到青睐；然而，其较差的机械性能限制了其应用范围。值得注意的是，当前科学技术的发展对材料的综合性能提出了更高的要求。单一性能的材料很难适应当前的技术发展步伐，因此制备具有高机械应变/应力和高电导率(ec)的铜基复合材料(cmcs)具有重要意义。制备cmc的有效方法之一是在系统中引入强化相。石墨烯(gr)及其衍生物，包括氧化石墨烯(go)、还原氧化石墨烯(rgo)和石墨烯纳米片(gnp)，由于其高强度和杨氏模量、高电导率(ec)和超高导热性的性能而受到重要的研究兴趣。因此是cmc的理想增强相。

2、然而，目前gr/cmcs的研究普遍遇到两个主要问题。一方面，其性能提升往往低于预期，主要原因是gr在制备过程中团聚严重，且与金属基体的界面结合不良。目前，许多制备技术都用于解决gr团聚和与金属界面相容性差的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高导电性石墨烯/铜合金材料及其制备和应用。

2、本发明要解决的技术问题：目前gr/cmcs的研究普遍遇到两个主要问题。一方面，其性能提升往往低于预期，主要原因是gr在制备过程中团聚严重，且与金属基体的界面结合不良。

3、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

4、一种高导电性石墨烯/铜合金材料的制备方法，包括以下步骤：

5、1)将亚微米级球形铜加入质量分数1％的十六烷基三甲基溴化铵(ctab)溶液中，磁力搅拌2h进行表面改性处理，使亚微米级球形铜表面带正电，得到悬浮液，再将悬浮液加入到质量分数3％的增强石墨烯分散液中，搅拌1h，氧化石墨烯(go)通过静电吸附的方式包覆在亚微米级球形铜表面，再经抽滤并在50℃下真空干燥，得到亚微米级球形铜@go核壳粉末；

6、上述反应过程中，亚微米级球形铜经十六烷基三甲基溴化铵改性后表面带正电，表面带正电的亚微米级球形铜可以吸附在氧化石墨烯表面。

7、2)将亚微米级球形铜@go核壳粉末添加到质量分数60％的cu分散液中，并将搅拌1小时，然后，将产物抽滤并在50℃下真空干燥，得到亚微米级球形铜@go/cu复合粉末；

8、3)将亚微米级球形铜@go/cu复合粉末在真空热压炉中进行粉末固结成型和go热还原，即得高导电性石墨烯/铜合金材料；

9、亚微米级球形铜@go/cu复合粉末在真空热压炉(型号vvpgr-15-2000)中在高纯氩气(纯度≥99.999％)保护下进行粉末固结成型和go热还原，热压炉采用内径24mm的石墨模具，粉末用量为60g，烧结前，将真空热压炉抽真空，当炉内残余真空度≤20pa时，关闭真空泵。高纯氩气从炉底通入，气体流量为10l/min。氩气的密度大于空气和氧气的密度；因此，从炉底部引入的氩气不断地将炉内残留的空气和氧气推到炉顶部。当炉压达到0.02mpa时，停止通风，打开炉顶排气阀，释放残余空气和氧气，当炉压降至标准大气压时，关闭排气阀。上述操作步骤重复3次，确保炉内有高纯氩气保护，无残留氧气。为避免流氩对加热保温过程产生不利影响，在烧结过程中，未采用流氩保护。然后打开顶部排气阀，排出烧结过程中ctab热解和go还原释放的杂质气体。关闭排气阀，将温度连续升高至900℃，然后保持1h以完成烧结和热还原过程。然后，以10℃/min的冷却速率将温度降至200℃，然后结束程序并使炉自然冷却至室温。在整个热压烧结过程中，对模具施加40mpa的压力。

10、上述反应过程中，由于亚微米级球形铜@go核壳粉末填充在cu粒子的间隙中，经热解后生成cu/cuxoy/rgo三层结构，其中(cuxoy为cu2o和cu4o3)

11、进一步地，步骤1)中，亚微米级球形铜、十六烷基三甲基溴化铵溶液和增强石墨烯分散液的用量比为59.7g：100ml：100ml。

12、进一步地，步骤2)中，亚微米级球形铜@go核壳粉末与cu分散液的用量比为60g：100ml。

13、进一步地，增强石墨烯分散液的制备过程如下：

14、将粒径为1.5-1.9nm碳量子点粉末加入到浓度为1mg/ml的氧化石墨烯分散液中，超声处理40分钟后，将所得溶液搅拌5min，然后，将所得混合物在室温下进一步超声分散40分钟，最后，将混合物过滤并在60℃下干燥，得到增强石墨烯粉末。

15、进一步地，碳量子点粉末与氧化石墨烯分散液的用量比为100mg：200ml。

16、进一步地，碳量子点包括以下步骤制得：

17、将柠檬酸、尿素和去离子水混合，然后转移到微波炉中，700w微波照射13min后，得到固体产物，加入去离子水分散固体产物，将所得分散液用0.22μm孔径的纤维素滤膜过滤，然后用1000da透析袋透析5天，最后通过冷冻干燥获得碳量子点粉末。

18、需要说明的是：两亲性半导体碳量子点可以吸附在氧化石墨烯表面，有效的防止石墨烯在后期增强cu复合材料中的团聚现象，提高与cu基体的相容性。

19、进一步地，柠檬酸、尿素和去离子水的用量比为10g：10g：35ml。

20、进一步地，步骤3)中真空热压炉的环境为高纯氩气，烧结温度为900℃。

21、本发明还提供一种高导电性石墨烯/铜合金材料。

22、本发明还提供一种高导电性石墨烯/铜合金材料在制备输电线缆中的应用。

23、本发明的有益效果：

24、(1)本发明技术方案中，通过在氧化石墨烯分散液中添加两亲性半导体碳量子点可以吸附在氧化石墨烯表面，有效的防止石墨烯在后期增强cu复合材料中的团聚现象，提高与cu基体的相容性，也便于带动亚微米级球形铜在石墨烯表面的沉积，增加了复合材料的导电性能。

25、(2)本发明技术方案中，通过增强分散的go负载亚微米级球形铜，带动亚微米级球形铜在cu粒子的间隙中，经热解后生成cu/cuxoy/rgo三层结构，提高了亚微米级球形铜@go核壳粉末与cu粒子的相容性，提高铜基复合材料的导电性。

技术特征：

1.一种高导电性石墨烯/铜合金材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的高导电性石墨烯/铜合金材料的制备方法，其特征在于：步骤1)中，亚微米级球形铜、十六烷基三甲基溴化铵溶液和增强石墨烯分散液的用量比为59.7g：100ml：100ml。

3.根据权利要求1所述的高导电性石墨烯/铜合金材料的制备方法，其特征在于：步骤2)中，亚微米级球形铜@go核壳粉末与cu分散液的用量比为60g：100ml。

4.根据权利要求1所述的高导电性石墨烯/铜合金材料的制备方法，其特征在于：增强石墨烯分散液的制备过程如下：

5.根据权利要求4所述的高导电性石墨烯/铜合金材料的制备方法，其特征在于：碳量子点粉末与氧化石墨烯分散液的用量比为100mg：200ml。

6.根据权利要求4所述的高导电性石墨烯/铜合金材料的制备方法，其特征在于：碳量子点粉末包括以下步骤制得：

7.根据权利要求5所述的高导电性石墨烯/铜合金材料的制备方法，其特征在于：柠檬酸、尿素和去离子水的用量比为10g：10g：35ml。

8.根据权利要求1所述的高导电性石墨烯/铜合金材料的制备方法，其特征在于：步骤3)中真空热压炉的环境为高纯氩气，烧结温度为900℃。

9.一种如根据权利要求1-8任一项所述的制备方法制备的高导电性石墨烯/铜合金材料。

10.根据权利要求9所述的高导电性石墨烯/铜合金材料在制备输电线缆中的应用。

技术总结
本发明涉及一种高导电性石墨烯/铜合金材料及其制备和应用，属于电工材料技术领域，包括以下步骤：将亚微米级球形铜悬浮液加入到增强石墨烯分散液中，再经抽滤并干燥，得到亚微米级球形铜@GO核壳粉末；将亚微米级球形铜@GO核壳粉末添加到Cu分散液中，然后，将产物抽滤并干燥，将得到的亚微米级球形铜@GO/Cu复合粉末在真空热压炉中进行粉末固结成型和GO热还原，即得高导电性石墨烯/铜合金材料。本发明技术方案中，通过增强分散的GO负载亚微米级球形铜，带动亚微米级球形铜在Cu粒子的间隙中，提高了亚微米级球形铜@GO核壳粉末与Cu粒子的相容性，提高铜基复合材料的导电性。

技术研发人员：成小娟,程欣,罗佳鹏
受保护的技术使用者：深圳特新界面科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16