一种铜基烯合金的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种烯合金的制备方法，具体涉及一种铜基烯合金的制备方法。
【背景技术】
[0002] 石墨烯是一种新型二维纳米材料，其纳米片是由sp2杂化碳原子组成的单原子层 厚度的二维材料，是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，强度高达1. OlTpa，是结构钢的 100倍，密度却是结构钢的1/5。导热系数高达5300W/m*K，高于碳纳米管和金刚石，常温下 电子迀移率超过200000cm2/V ? S，高于纳米碳管或硅晶体，电阻率只约1 Q ? m，比铜或银更 低，为世上电阻率最小的材料。
[0003] 石墨稀属于纳米级材料，具有表面活性，易与其他材料粒子结合。纳米粒子最主要 的应用是作为其他非纳米材料改性时的填充材料，但很多的纳米粒子制取和保存都相对困 难，石墨烯比较便于大规模制取和保存，因此可以用作其他材料改性时的填充材料。由于石 墨烯的韧性和强度及表面活性，当作为填充材料时，可使石墨烯成为其他基础材料晶粒之 间的隐性焊接材料，在晶粒界面形成链桥效应。基础材料晶粒间通过石墨烯表面活性作用， 形成晶粒界面呈现无缝隙连接的形态。基础材料中的晶粒界面形成无缝隙连接后，在外力 作用时，其晶界滑移现象减少，抗应力能力增加，从而使得被填充的基础材料的强度随着抗 应力能力的提尚而增强。
[0004] 传统工艺方法已很难提高金属材料的强度，使用密度小强度大的石墨烯作为增强 材料，提高金属材料强度的同时还能降低材料的密度。将石墨烯复合到铝、钛、镁等金属材 料中，可以得到轻质高强、兼备导电、导热等功能特性的结构功能一体化的复合材料。
[0005] 2014年05月08日，中航工业航材院的科研人员在国际石墨烯研究领域首创一类 具有优异性能的新型合金材料"烯合金"材料。
[0006] 铜基复合材料的比强度和比刚度高，热膨胀系数低，且具有良好的高温性能和耐 磨性。目前铜基复合材料的增强填料主要为颗粒增强填料和纤维增强填料。纤维增强填料 不仅提高了铜基体的强度，还改善了塑性。碳纳米管是一种重要的铜基纤维增强填料，但其 生产成本较高，石墨烯的成本低且轻质高强。
[0007] 但石墨烯存在尺寸较小，比表面积大，很难分散，很容易团聚的问题，严重影响烯 合金的性能。目前石墨烯增强金属基复合材料的工艺均存在产量低的问题，很难形成大规 模生产。
【发明内容】
[0008] 为克服现有烯合金存在的上述缺陷，本发明提供了一种制备石墨烯和金属混合粉 体的方法，该方法改进了石墨烯与铜和/或铜合金粉末的混粉工艺，石墨烯纳米片均匀弥 散的分布到铜和/或铜合金基体中。
[0009] 为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：
[0010] -种铜基烯合金的制备方法包括如下步骤：
[0011] a)制备石墨烯和铜和/或铜合金混合粉体，所述粉体包括如下重量份计组分：石 墨稀3 %~10 %，铜和/或铜合金粉末为余量；
[0012] a-1)制备石墨烯单分散溶液；
[0013] a-1-l)配置有机溶剂水溶液；
[0014] a-1-2)将石墨烯溶入有机溶剂水溶液中；
[0015] a-1-3)将步骤a-1-2)制备的石墨烯有机溶液放入超声波震荡器中进行溶液搅 拌；
[0016] a-2)将铜和/或铜合金粉体加入到步骤a-1)所得石墨烯单分散溶液；
[0017] a-3)将步骤a-2)所得石墨烯和铜和/或铜合金混合溶液放入球磨罐中机械球磨 20 ~40h ;
[0018] a-4)将装有经步骤a~3)球磨得到的石墨烯和铜和/或铜合金混合溶液的烧杯 放入烘箱进行烘干；
[0019] b)将步骤a)得到的石墨烯和铜和/或铜合金混合粉体装入制备好的不锈钢包套 内（包套内径为80~120mm，包套内腔高度为85~300mm);
[0020] c)将包套加热至700~750°C后进行真空除气2~4h至真空度为1. 0X 10 3Pa， 将包套砸瘪，焊接密封；
[0021] d)将步骤C)得到的密封的包套进行热等静压，温度700°C~900°C，压力100~ 200MPa，保温保压时间为2~4h ;
[0022] e)将热等静压后的包套进行机械加工，车削去掉包套皮，得直径为55~85mm，高 度为55~200mm的圆柱形预制锭；
[0023] f)在惰性气体的保护氛围中将与步骤a)铜和/或铜合金粉末相同的铜和/或铜 合金加入坩埚后加热坩埚至该铜和/或铜合金熔点之上30°C~80°C得到铜和/或铜合金 熔体；
[0024]g)在惰性气体的保护氛围中保持坩埚温度不变将步骤e)得到的圆柱形预制锭加 入坩埚得到熔融有圆柱形预制锭的铜和/或铜合金熔体，经搅拌后将铜基烯合金熔体迅速 浇铸到石墨模具中，在惰性气体的保护氛围中空冷至室温得到铜基烯合金铸锭；
[0025] h)将步骤g)得到的铜基烯合金铸锭进行均匀化处理，温度为700°C~900°C下保 温24~48h，用吨位200~500t的挤压机以挤压比为15 : 1~20 : 1进行热挤压，得到 铜基稀合金棒材。
[0026] 进一步的，步骤a-2)中铜和/或铜合金粉体的粒径为5~100 y m。
[0027] 进一步的，步骤a-1-l)中配置的有机溶剂的重量为石墨烯的19~191倍；所述有 机溶剂为从乙醇、NMP、聚乙二醇或PVP中选出的一种或多种，所述有机溶剂水溶液中有机 溶剂的质量百分比为20%~100%。
[0028] 进一步的，步骤a-1-3)将步骤a-1-2)制备的石墨烯有机溶液放入超声波震荡器 中进行溶液搅拌的时间多2h。
[0029] 进一步的，步骤a_3)中球磨罐中球料10 : 1~15 : 1，所述球磨机的转速 多300r/min，所述球磨机的磨球为高碳络轴承钢质材料磨球。
[0030] 进一步的，步骤a-4)中烘干过程中烘干温度为50~60°C，烘干的同时进行机械搅 拌。
[0031] 进一步的，步骤f)和g)中惰性气体为SF6+N2，两种气体体积比为1 : 3。
[0032] 进一步的，将步骤g)得到的铜基烯合金铸锭进行均匀化处理，温度为700°C~ 900°C下保温24~48h，用乳钢机乳制成型，得到铜基烯合金板材。
[0033] 进一步的，铜基烯合金包括如下重量百分比的组分：石墨烯0. 1%~5%，铜和/或 铜合金为余量。
[0034] 由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
[0035] 1.本发明的一种铜基烯合金的制备方法，将一定量的铜基烯合金预制锭重熔到铜 合金恪液中，通过计算很好控制复合材料中石墨稀的含量，由于石墨稀不浮出来，铜基稀合 金中含量可准确控制，是基于半连续熔铸而提出的制备方法，工艺操作简单、生产效率高、 制造成本低廉、易于实现大规模产业化。
[0036] 2.本发明的一种铜基烯合金的制备方法，经过重熔稀释后，石墨烯仍然均匀分散 于铜熔液中，凝固时石墨烯的弥散性很强，不会发生二次团聚，铸坯性能良好，进行均匀化 处理后可挤压成棒材及乳制成板材。
[0037] 3.本发明的一种铜基烯合金的制备方法，预制锭的重熔及铸造过程中都有气氛保 护，避免了铜和/或铜合金及石墨烯的氧化和变性。
[0038] 4.本发明的一种铜基烯合金的制备方法，实现预制锭与铸造工艺的分离，易于实 现大批量大尺寸的铜基烯合金的制备，降低生产成本，具有优异的工程应用前景。
[0039] 5.本发明的一种铜基烯合金的制备方法，通过高能球磨的方式，通过球磨珠的碰 撞，将石墨烯均匀分散，解决了石墨烯容易团聚不易分散的问题，将石墨烯与铜和/或铜合 金粉末镶嵌到一起，使得石墨稀与铜和/或铜合金粉末粉末均勾的混合。
[0040] 6.本发明的一种铜基稀合金的制备方法，通过高能球磨的将石墨稀镶嵌到铜和/ 或铜合金粉末表面，将石墨烯均匀分散于铜和/或铜合金基体中，实现了石墨烯与铜和/或 铜合金界面的牢固结合，石墨烯与铜和/或铜合金粉末粉末具有良好的结合界面，为石墨 烯与铜和/或铜合金复合材料的性能提供保证。
[0041] 7.本发明的一种铜基烯合金的制备方法，改进了石墨烯与铜和/或铜合金粉末的 混粉工艺，石墨烯纳米片均匀弥散的分布到铜和/或铜合金基体中；采用重熔稀释预制锭 的方法改善了石墨烯与铜合金熔体的润湿性，其在铜合金熔体中均匀分散，经过稀释后的 复合材料由固体重熔成金属液后石墨烯的弥散性优异，无二次团聚现象，重新凝固时石墨 烯的弥散性很强，铸造和锻造性能得到大幅度提高。
【附图说明】
[0042] 图1是本发明实施例2中间步骤制得的石墨烯与