一种石墨烯改性铜合金纳米材料及其制备方法
【技术领域】
[0001 ]本发明具体涉及一种石墨稀改性铜合金纳米材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]为了获得导电与导热性能好、强度高且耐磨性能优的铜或铜合金，国内外科学界与产业界开展了广泛的研究，并已开发出:(I)铜铬锆、铜镍硅、铜铁磷等高强高导合金；(2)锰黄铜、铝黄铜、铝青铜等高强、耐磨合金；(3)铜-钨复合材料、铜-碳复合材料等导电、耐磨材料。近年来，随着工业应用与科学技术的快速发展，对铜及铜合金材料的性能提出了更多更A:功能材料利用铜或铜合金的导电、导热等性能B:结构材料利用铜或铜合金的力学性能C:耐磨材料利用铜或铜合金的耐摩擦与磨损性能高的要求，以适应更加复杂的使用环境和工况。现代工业的各应用领域对铜及铜合金材料的强度、耐磨、导电、导热等性能提出了更高的要求，研发一种高强、高导电、高导热、耐磨性能优的铜或铜合金材料已迫在眉睫。
[0003]石墨烯是碳原子以sP2杂化连接的单原子层构成的新型二维原子晶体(单层厚度为0.335纳米)，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130GPa、热导率高达5150J/(m.K)、载流子迀移率达到1.5X104cm2.V-1.s_l、透明度约97.7%、比表面积理论值为2630m2/g，杨氏模量约为llOOGPa，断裂强度约为125GPa。石墨烯在电子信息、新能源、新材料、航空航天、国防军工和生物医药等众多领域具有广阔的应用前景，有望带来一系列革命性的技术进步。因此自2004年发现以来，就引发了全世界的研究热潮。2006年Rouff研究组在《Nature》上首次报道了石墨稀/聚合物复合材料;2008年Kai等进行了在PCL基体中加入氧化石墨烯增强体的研究工作;2011年哈工大王黎东等科研学者对少层石墨烯增强铜基复合材料进行了系列研究;美国军队军备研发和工程中心也曾开发出一种石墨烯金属纳米材料;2013年韩国科学技术院的研究人员创造出金属和石墨稀的多层结构;2014年中航工业航材院的燕绍九等科研人员发明了新型高端合金材料一“烯合金”。近十年来，在全球科学家与工程技术人员的努力下，从石墨烯制备到应用的各个领域都取得了重大的技术进步，以石墨烯材料为基础的各应用产业也取得了一些突破。
[0004]然而，目前国际上关于石墨烯-金属复合材料研究及应用的报道仍然较少，这方面仍处于起步阶段，需深入的开展研究工作。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是提供一种具有高导热、高导电、高耐磨、高强度的优点，应用领域广泛的石墨烯改性铜合金纳米材料及其制备方法。
[0006]为解决上述问题，本发明采用如下技术方案:
[0007]—种石墨稀改性铜合金纳米材料，按重量份计由以下成分组成:包括石墨稀100-200份、氧化铜20-50份、碳粉24-36份、钨粉11-19份、改性聚乙烯醇14-26份、纳米碳纤维18-32份、聚丙烯晴17-35份、有机溶液150-250份、铁粉20-40份、纳米铜粉50-100份和纳米硅粉20-40份。
[0008]本发明要解决的另一技术问题为提供一种石墨稀改性铜合金纳米材料的制备方法，包括以下步骤:
[0009]I)制备石墨稀:通过插层-膨胀-剥离法可控制备石墨稀100-200份，调节插层反应的各技术参数，实现对石墨烯层数的控制，制得石墨烯；
[0010]2)石墨烯表面改性:取碳粉24-36份、钨粉11-19份、改性聚乙烯醇14-26份、纳米碳纤维18-32份、聚丙烯晴17-35份、有机溶液150-250份、铁粉20-40份和纳米硅粉20-40份对石墨稀表面进彳丁修饰和造孔；
[0011 ] 3)铜-石墨烯粉制备:将氧化铜20-50份与石墨烯混合，并通过研磨机将其研磨成粉末，随后通过过滤筛选的方式制得超纯细的粉末；
[0012]4)SPS烧结:通过脉冲电源输出强脉冲电流直接作用于铜-石墨烯粉，固相烧结使其产生化合物层或固溶层，并相互结合在一起，合成石墨烯改性铜合金纳米材料；
[0013]5)混粉-热压烧结:将纳米铜粉50-100份与石墨烯混合均匀，并使得石墨烯在石墨烯改性铜合金奈米材料重均匀分布，通过热压烧结工装，制得大尺寸的铜-石墨烯复合材料的锭坯；
[0014]6)加工及退火:通过热乳机、粗乳机、中乳机及精乳机加工石墨烯改性铜合金纳米材料的板带材，采用充惰性气体保护的气垫式退火炉进行热处理、采用水封式高精确控制挤压机制备石墨烯改性铜合金纳米材料的棒、线材，采用小加工率、多道次加工工艺尽量避免石墨稀改性铜合金纳米材料在压力加工过程中石墨稀的分布形态发生改变。
[0015]本发明的有益效果是:通过非氧化还原的插层剥离技术、快速放电等离子烧结技术、调控SPS烧结工艺参数和高精度控制的加工及退火设备制备，能够制备出具有高导热、高导电、高耐磨、高强度的优点，应用领域广泛的石墨烯改性铜合金纳米材料。
【具体实施方式】
[0016]实验例I
[0017]—种石墨烯改性铜合金纳米材料的制备方法，包括以下步骤:
[0018]I)制备石墨稀:通过插层-膨胀-剥离法可控制备石墨稀100份，调节插层反应的各技术参数，实现对石墨烯层数的控制，制得石墨烯；
[0019]2)石墨烯表面改性:取碳粉24份、钨粉11份、改性聚乙烯醇14份、纳米碳纤维18份、聚丙烯晴17份、有机溶液150份、铁粉20份和纳米硅粉20份对石墨烯表面进行修饰和造孔；
[0020]3)铜-石墨烯粉制备:将氧化铜20份与石墨烯混合，并通过研磨机将其研磨成粉末，随后通过过滤筛选的方式制得超纯细的粉末；
[0021]4)SPS烧结:通过脉冲电源输出强脉冲电流直接作用于铜-石墨烯粉，固相烧结使其产生化合物层或固溶层，并相互结合在一起，合成石墨烯改性铜合金纳米材料；
[0022]5)混粉-热压烧结:将纳米铜粉50份与石墨烯混合均匀，并使得石墨烯在石墨烯改性铜合金奈米材料重均匀分布，通过热压烧结工装，制得大尺寸的铜-石墨烯复合材料的锭坯；
[0023]6)加工及退火:通过热乳机、粗乳机、中乳机及精乳机加工石墨烯改性铜合金纳米材料的板带材，采用充惰性气体保护的气垫式退火炉进行热处理、采用水封式高精确控制挤压机制备石墨烯改性铜合金纳米材料的棒、线材，采用小加工率、多道次