一种三维石墨烯增强铜基复合材料及其制备方法和应用

本发明涉及金属基复合材料，尤其涉及一种三维石墨烯增强铜基复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、铜是具有良好导电导热性能的传统金属材料，广泛应用于电子器件、交通运输和航空航天等领域。现代科技飞速发展的环境下，铜的耐热耐蚀性较差，难以满足工业需求，因此研发新材料势在必行。石墨烯增强铜基复合材料是一种具备良好综合性能的新型材料。得益于石墨烯片层内大量的自由电子，铜基复合材料中形成了载流子的高速通路，对电流的传输能力提升，复合材料的导电性能优异。然而，常规的机械法混合铜粉和石墨烯会使石墨烯产生大量缺陷，石墨烯片层间的范德华力也使得二维石墨烯极易团聚，导致力学性能和材料塑性大幅下降。

2、三维石墨烯网络是一种新型结构，可以有效解决石墨烯团聚的问题。目前制备三维石墨烯增强铜基复合材料的方法大致分成两类，一类是石墨烯骨架填粉法，通过石墨烯泡沫骨架填粉来进行制备，这种方法对石墨烯伤害较大，其结构稳定性较差，工艺流程复杂；另一类是粉末表面沉积法，在铜粉表面原位生长或吸附石墨烯，然后进行烧结致密化，但这种方法所制备的石墨烯的连续性有待商榷，铜粉表面石墨烯的均匀性调控也是一大难点。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种三维石墨烯增强铜基复合材料及其制备方法和应用。本发明提供的制备方法中，石墨烯具有三维连续性，增强效率较高，制备的三维石墨烯增强复合材料具有高强度和高导电特性。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种三维石墨烯增强铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)将泡沫铜放入化学气相沉积管式炉内，通入还原气体和保护气体，升高温度，进行退火去除表面氧化层和杂质，得到预处理泡沫铜；

5、(2)添加碳源，在所述步骤(1)得到的预处理泡沫铜表面原位沉积生长三维石墨烯；

6、(3)将所述步骤(2)中的碳源耗尽或关闭，冷却至室温，得到泡沫铜负载石墨烯；

7、(4)将所述步骤(3)得到的泡沫铜负载石墨烯进行致密化，得到三维石墨烯增强铜基复合材料；

8、优选地，所述步骤(1)中的泡沫铜孔隙率为10～150ppi。

9、优选地，所述步骤(1)中的还原气体为h2，保护气体为ar，还原气体与保护气体的流量比为(1～100)：300，还原气体与保护气体的总流量为1～1200sccm。

10、优选地，所述步骤(1)中的退火温度为500～1050℃，退火时间为0～12h。

11、优选地，所述步骤(2)中的三维石墨烯生长温度为800～1050℃，生长时间为0～5h。

12、优选地，所述步骤(2)中的碳源包括气体碳源、液体碳源或固体碳源。

13、优选地，所述步骤(4)中的致密化方法为热压烧结。

14、优选地，所述步骤(4)中的致密化温度为800～1000℃，升温速率为10～20℃/min，保温时间为0.5～2h，压力为20～50mpa，降温方式为随炉冷却。

15、本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备的三维石墨烯增强铜基复合材料。

16、本发明还提供了上述技术方案所述的三维石墨烯增强铜基复合材料在电子电气设备、电力传输中的应用。

17、本发明提供了一种三维石墨烯增强铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将泡沫铜放入化学气相沉积管式炉内，通入还原气体和保护气体，升高温度，进行退火去除表面氧化层和杂质，得到预处理泡沫铜；(2)添加碳源，在所述步骤(1)得到的预处理泡沫铜表面原位沉积生长三维石墨烯；(3)将所述步骤(2)中的碳源耗尽或关闭，冷却至室温，得到泡沫铜负载石墨烯；(4)将所述步骤(3)得到的泡沫铜负载石墨烯进行致密化，得到三维石墨烯增强铜基复合材料。本发明通过化学气相沉积法在泡沫铜表面原位沉积石墨烯，构建了理想的三维石墨烯网络结构，与粉末烧结相比，石墨烯的均匀性和连续性更高；通过调控化学气相沉积工艺，石墨烯的层数和缺陷密度的可控性加强，制备得到的复合材料中石墨烯含量较低，增强效率更高，热压烧结后可以得到物理力学性能优异的三维石墨烯增强铜基复合材料。

技术特征：

1.一种三维石墨烯增强铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的泡沫铜孔隙率为10～150ppi。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的还原气体为h2，保护气体为ar，还原气体与保护气体的流量比为(1～100)：300，还原气体与保护气体的总流量为1～1200sccm。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的退火温度为500～1050℃，退火时间为0～12h。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的三维石墨烯生长温度为800～1050℃，生长时间为0～5h。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的碳源包括气体碳源、液体碳源或固体碳源。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中的致密化方法为热压烧结。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中的致密化温度为800～1000℃，升温速率为10～20℃/min，保温时间为0.5～2h，压力为20～50mpa，降温方式为随炉冷却。

9.权利要求1～8任意一项所述制备方法制备的三维石墨烯增强铜基复合材料。

10.权利要求9所述的三维石墨烯增强铜基复合材料在电子电气设备、电力传输开关中的应用。

技术总结
本发明提供了一种三维石墨烯增强铜基复合材料及其制备方法和应用，属于金属基复合材料技术领域。本发明致力于在铜基体中构建三维石墨烯网络结构，将表面沉积石墨烯的泡沫铜致密化，制备一种高效的三维石墨烯增强铜基复合材料。本发明制备的铜基复合材料中，石墨烯含量低于0.1％，抗拉强度450MPa，延伸率20％，电导率95％IACS。与常规粉末烧结方法相比，本发明制备的铜基复合材料内部石墨烯三维连续，比表面积大，缺陷少，电子输运和载荷传递的能力较强，从而使得复合材料兼具高强度、高延伸率和高电导率。

技术研发人员：张宇博,黄俊睿,陈宗宁,卢一平,接金川,康慧君,郭恩宇,李廷举,王同敏,曹志强
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29