石墨烯包覆铜粉体的制备方法、铜-石墨烯电触头及其制备方法与流程

本发明涉及电触头材料及其制备的技术领域，具体涉及一种石墨烯包覆铜粉体的制备方法、铜-石墨烯电触头及其制备方法。

背景技术：

电触头是电流传输与转换过程中重要材料之一，是制备电力、电器电路中通、断控制及负载电流电器(如电器开关、继电器、仪器仪表及启动器等)的接触元件，广泛应用于电力、电信系统。

现代电触头材料主要分为：铜基电触头材料、银基电触头材料、以及贵/廉金属合金类电触头材料，例如以cu为基材，ag为复合层的ag合金电触头材料，或以cu为基材，agsno2为复合层的ag合金电触头材料。其中银作为一种贵金属，其价格昂贵且资源量有限，以银作为原料是电触头的价格过于昂贵，不利于大规模的推广利用。而金属铜具有的优异导电导热性能，且价格低廉，塑性高，这在电接触材料领域极易推广。但金属铜作为电触头材料强度低，易氧化，在实际工作过程中，接触元件的接触电阻会不断增大，容易发热，耐磨性差，导致电触头的使用寿命和可靠性大大降低。

目前铜基电触头主要用中、高压环境，主要以铜基复合材料为主，例如添加铅、氧化铅、石墨、二硫化钨、二硫化钼等，保持铜基电触头固有的机械性能、良好的导电导热性能，同时在减摩和润滑方面也具有一定的作用。但随着环境意识的提高，不含铅的铜基电触头成为热点，石墨、二硫化钼及其他过渡金属硫硒化物逐渐成为铜基电触头材料的主要的润滑组元。总体而言，铜基体含量增多，电触头的机械强度、导电、导热性能提升，但耐磨损性能削弱；而添加元素含量增多，电触头在力学性能提升时，导电导热性能降低。所以，这一系列添加材料提高了电触头的强度，相对于银基而言降低了成本，但同时也影响了电触头材料的导电率，同时也存在着自身的缺点，例如有毒、易氧化、耐磨性差等。

随着现代工业的发展，以廉价金属替代贵金属，扩展廉价金属在电触头领域的应用成为必然。因此，研发具有优良导电、导热性能，以及耐腐蚀、抗氧化的铜基电触头成为亟待解决的问题。石墨烯作为一种高强高导电的二维材料，具有超大的比表面积，其载流子迁移率达15000cm2/(v·s)，热导率高达5150w/(m·k)，被认为是理想的铜基电触头的增强材料。目前，金属基石墨烯复合材料的研究日益增多，其复合材料的性能也发挥出一定的优势。

因此结合石墨烯的特殊结构和优越性能，制备出具有优良导电导热性能、低接触电阻、抗电介质腐蚀性、抗熔焊能力、优良耐磨性、高硬度、强韧性的高性能铜基石墨烯电触头具有很大的市场应用前景。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种石墨烯包覆铜粉体的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种石墨烯包覆铜粉体的制备方法，包括以下步骤：

步骤a：将铜粉与二氧化硅混合均匀，得到铜-二氧化硅混合粉体；

步骤b：将步骤a得到的铜-二氧化硅混合粉体置于化学气相沉积真空室中，在还原气体和保护气体的氛围下，保持在600～1050℃的温度和常压状态下，通入碳源气体，进行化学气相沉积，得到铜/石墨烯与二氧化硅或硅混合粉体；

步骤c：将铜/石墨烯与二氧化硅或硅混合粉体分散于分散液中，采用液相分离去除二氧化硅或硅，得到石墨烯包覆铜粉体。

优选地，所述步骤a中，铜粉为电解铜粉、雾化铜粉中的一种或两种，铜粉的粒径50nm～300μm；二氧化硅的粒径为10nm～20μm，铜粉和二氧化硅质量比为2∶1～5∶8。

优选地，所述步骤b中，先将化学气相沉积系统抽真空至10^-3kpa，再通入作为保护气体的氩气，直至化学气相沉积真空室内处于常压状态，再升高温度至600～1050℃，然后通入作为还原气体的氢气，保温，最后通入作为碳源气体的甲烷气体，在600～1050℃恒温一段时间，待化学气相沉积过程结束后，停止通入甲烷和氢气，降至室温，得到铜/石墨烯与二氧化硅或硅混合粉体。

优选地，所述步骤b中，氩气流量为100～500sccm，氢气的流量为2～50sccm，甲烷气体流量为3～10sccm，升温速度为10～20℃/min，降温速度为5～15℃/min。

优选地，所述步骤c中，分散液为水和乙醇中的一种或两种。

本发明的石墨烯包覆铜粉体制备方法，将二氧化硅小球与铜粉混合，利用二氧化硅小球在高温条件下释放氧，通过氧催化化学气相沉积过程实现石墨烯在铜粉体上高效高质量生长。

本发明的另一目的在于提供一种低成本、高导电导热性、低接触电阻、抗电介质腐蚀性、抗熔焊能力以及耐磨高强度的铜-石墨烯电触头及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种铜-石墨烯电触头的制备方法，包括以下步骤：

步骤d：将石墨烯粉体与根据上述技术方案所述的石墨烯包覆铜粉体的制备方法制得的石墨烯包覆铜粉体机械混合，得到铜-石墨烯混合粉体；

步骤e：将步骤d得到的铜-石墨烯混合粉体制得铜-石墨烯电触头。

优选地，所述步骤d中，所用的石墨烯粉体是以鳞片石墨为原料，通过电化学剥离方法获得。

优选地，所述步骤d中，石墨烯包覆铜粉体的粒径为50nm～300μm。

一种铜-石墨烯电触头，由石墨烯粉体与根据上述技术方案所述的石墨烯包覆铜粉体的制备方法制得的石墨烯包覆铜粉体组成，其中石墨烯包覆铜粉体的含量为95wt％～100wt％，石墨烯粉体的含量为0wt％～5wt％。

本发明的铜-石墨烯电触头及其制备方法，通过氧催化化学气相沉积过程实现石墨烯在铜粉体上的快速高质量生长，以石墨烯作为铜基电触头材料的增强体，全方位提高了铜基电触头的导电、导热性能以及机械性能，降低了电触头的接触电阻。同时，以石墨烯包覆铜粉体，可有效增强电触头的抗电介质腐蚀性、抗氧化性能、抗熔焊能力，延长电触头的实际使用寿命。本发明注重材料构建创新，采用传统的电触头加工设备即可实现大规模生产，成本低，市场前景广阔。

附图说明

图1是本发明实施例一中石墨烯包覆铜粉体的场发射扫描电镜图；

图2是本发明实施例一中铜石墨烯粉体的拉曼光谱图；

图3是本发明实施例四中石墨烯包覆铜粉体的场发射扫描电镜图；

图4是本发明实施例四中铜石墨烯粉体的拉曼光谱图。

具体实施方式

以下结合附图1至4给出的实施例，进一步说明本发明的石墨烯包覆铜粉体的制备方法、铜-石墨烯电触头及其制备方法的具体实施方式。本发明的石墨烯包覆铜粉体的制备方法、铜-石墨烯电触头及其制备方法不限于以下实施例的描述。

本发明按照下述步骤制备石墨烯包覆铜粉体，具体如下：

步骤a：将铜粉与二氧化硅混合均匀，得到铜-二氧化硅混合粉体；

本步骤中，所采用的铜粉为电解铜粉、雾化铜粉中的一种或两种，铜粉的粒径50nm～300μm；二氧化硅的粒径为10nm～20μm，铜粉和二氧化硅质量比为2∶1～5∶8。

步骤b：将步骤a得到的铜-二氧化硅混合粉体置于化学气相沉积真空室中，在还原气体和保护气体的氛围下，保持在600～1050℃的温度和常压状态下，通入碳源气体，进行化学气相沉积，得到铜/石墨烯与二氧化硅或硅混合粉体；

具体地，先将化学气相沉积系统抽真空至10^-3kpa，再通入作为保护气体的氩气，直至化学气相沉积真空室内处于常压状态，再升高温度至600～1050℃，然后通入作为还原气体的氢气，保温，最后通入作为碳源气体的甲烷气体，在600～1050℃恒温一段时间，待化学气相沉积过程结束后，停止通入甲烷和氢气，降至室温，得到铜/石墨烯与二氧化硅或硅混合粉体。

本步骤中，氩气流量为100～500sccm，氢气的流量为2～50sccm，甲烷气体流量为3～10sccm，升温速度为10～20℃/min，降温速度为5～15℃/min。

步骤c：将铜/石墨烯与二氧化硅或硅混合粉体分散于分散液中，采用液相分离去除二氧化硅或硅，得到石墨烯包覆铜粉体。

本步骤中，所采用的分散液为水和乙醇中的一种或两种，分离方式为震动分离。

本发明的石墨烯包覆铜粉体制备方法，将二氧化硅小球与铜粉混合，利用二氧化硅小球在高温条件下释放氧，通过氧催化化学气相沉积过程实现石墨烯在铜粉体上高效高质量生长。氧催化化学气相沉积的技术原理：通过氧气对铜粉表面的处理，可以减少铜粉表面的杂质和缺陷，从而可以降低石墨烯的成核密度，获得更大尺寸晶畴的石墨烯薄膜；铜粉被氧化后，在石墨烯生长阶段由于氢气的通入，会对表面氧化铜进行还原，在此高温环境下，被还原的铜粉表面会发生重构(单晶化)，形成更多适合石墨烯生长的晶面，过程中铜箔表面也会变得更为平整光滑，有利于石墨烯的快速生长，提升工艺效率；已证实一定浓度的氧气能够降低甲烷气体分解的能垒，加速甲烷气体分解出更多的碳原子，加快碳源在铜粉表面沉积形成石墨烯的速度，从而使石墨烯的生长速度加快

本发明按照下述步骤制备铜-石墨烯电触头，具体如下：

步骤d：将石墨烯粉体与经过步骤a～c制得的石墨烯包覆铜粉体机械混合，得到铜-石墨烯混合粉体；

本步骤中，所采用的石墨烯包覆铜粉体的粒径为50nm～300μm；所用的石墨烯粉体是以鳞片石墨为原料，通过电化学剥离方法获得。

步骤e：将步骤d得到的铜-石墨烯混合粉体经过传统的电触头加工工艺得到铜-石墨烯电触头。

经由上述步骤制得的铜-石墨烯电触头中，各组成如下：石墨烯包覆铜粉体，含量为95wt％～100wt％；石墨烯粉体，含量为0wt％～5wt％。

本发明的铜-石墨烯电触头及其制备方法，通过氧催化化学气相沉积过程实现石墨烯在铜粉体上的快速高质量生长，以石墨烯作为铜基电触头材料的增强体，全方位提高了铜基电触头的导电、导热性能以及机械性能，降低了电触头的接触电阻。同时，以石墨烯包覆铜粉体，可有效增强电触头的抗电介质腐蚀性、抗氧化性能、抗熔焊能力，延长电触头的实际使用寿命。本发明注重材料构建创新，采用传统的电触头加工设备即可实现大规模生产，成本低，市场前景广阔。

下面通过实施例一～实施例五对本发明中的铜-石墨烯电触头及其制备方法作更具体的说明。

实施例一

一种铜-石墨烯电触头，由石墨烯包覆铜粉体制成，含量为100wt％。

所述的石墨烯包覆铜粉体具体按以下步骤进行：

首先，将铜粉与二氧化硅小球按5：4的比例置于混料机中混合10min，得到铜-二氧化硅混合粉体；采用的铜粉为电解铜粉，粒径为70～75μm，二氧化硅小球的粒径为10μm。。

然后，将得到的铜-二氧化硅混合粉体置于化学气相沉积真空室中，将化学气相沉积系统抽真空至10^-3kpa真空度，以气流量为500sccm通入氩气，直至化学气相沉积真空室处于常压状态，将氩气的气流量调整为300sccm；再以10℃/min的升温速度升温至1000℃，以气流量为50sccm通入氢气，保温30min；最后通入甲烷，将氢气和甲烷的气流量分别调整为20sccm和20sccm，保温10min；待化学气相沉积过程结束后，停止通入氢气和甲烷，以8℃/min的速度降至室温，即得到铜/石墨烯与二氧化硅或硅混合粉体。

接着，以水为分散液，震动分离去除二氧化硅或硅，真空干燥，得到石墨烯包覆铜粉体。

本实施例制备出的石墨烯包覆铜粉体的相貌如图1所示，其中原位生长的石墨烯在铜粉体上包覆率极高，基本没有裸露的铜表面形貌；图2显示的铜石墨烯粉体的拉曼图谱显示石墨烯的结构缺陷少，且具有较高的2d峰和较小的峰半高宽，计算可知，极少层石墨烯包覆于铜粉体表面。

继续将上述制备的石墨烯包覆铜粉体经过压样，烧结，轧制，挤压，冲压的传统的电触点制备工艺得到铜-石墨烯电触头。其密度为8.31g/cm³，电导率为94％iacs，接触电阻为1.31mω，而传统的铜基电触头其密度为8.3～8.9g/cm³，电导率为70～90％iacs，接触电阻1.2～1.7mω，相比而言，本发明中的铜-石墨烯电触头因石墨烯片的作用，质量密度降低，但石墨烯具有超强有效的电子传导性能，使铜-石墨烯电触头的导电率表现出明显的优势，同时接触电阻也低于传统的铜基电触头。

实施例二

一种铜-石墨烯电触头，由石墨烯包覆铜粉体和石墨烯粉体制成，其中石墨烯包覆铜粉体含量为95wt％，石墨烯粉体含量为5wt％。

本实施例的石墨烯包覆铜粉体具体按以下步骤进行：

首先，将铜粉与二氧化硅小球按5：5的比例置于混料机中混合10min，得到铜-二氧化硅混合粉体；采用的铜粉为电解铜粉，粒径为20～25μm，二氧化硅小球的粒径为5μm。

然后，将得到的铜-二氧化硅混合粉体置于化学气相沉积真空室中，将化学气相沉积系统抽真空至10^-3kpa，以气流量为500sccm通入氩气，直至化学气相沉积真空室处于常压状态，将氩气的气流量调整为400sccm；再以15℃/min速度升温至1050℃，以气流量为20sccm通入氢气，恒温30min；最后通入甲烷，并将氢气和甲烷的气流量分别调整为10sccm和10sccm，保温10min；待化学气相沉积过程结束后，停止通入甲烷和氢气，以5℃/min速度降至室温，得到铜/石墨烯与二氧化硅或硅混合粉体。

最后，以乙醇/水为分散液，分离出二氧化硅或硅，真空干燥后，得到石墨烯包覆铜粉体。

本实施例的铜-石墨烯电触头具体按以下步骤进行：

首先，将石墨烯粉体与石墨烯包覆铜粉体混合，机械搅拌2h，得到铜-石墨烯混合粉体。

最后，将上述制备的铜-石墨烯混合粉体按照压样，烧结，轧制，挤压，冲压的传统的电触点制备工艺得到铜-石墨烯电触头。

本实施例制得的含有石墨烯包覆铜粉体95wt％、石墨烯粉体5wt％的铜-石墨烯电触头进行相关测试，其密度为8.20g/cm³，电导率为95％iacs，接触电阻为1.23mω，同样具有较大的优势，突出在导电率和接触电阻方面。

实施例三

一种铜-石墨烯电触头，由石墨烯包覆铜粉体和石墨烯粉体制成，其中石墨烯包覆铜粉体含量为98wt％，石墨烯粉体含量为2wt％。

本实施例的石墨烯包覆铜粉体具体按以下步骤进行：

首先，将铜粉与二氧化硅小球按2∶1的比例置于混料机中混合10min，得到铜-二氧化硅混合粉体；采用的铜粉为电解铜粉，粒径为50nm，二氧化硅小球粒径为10nm。

然后，将得到的铜-二氧化硅混合粉体置于化学气相沉积真空室中，将化学气相沉积系统抽真空至10^-3kpa，以气流量为500sccm通入氩气，直至化学气相沉积真空室处于常压状态，将氩气的气流量调整为100sccm；再以20℃/min速度升温至950℃，通入氢气20sccm并恒温30min；最后通入氢气和甲烷，将氢气和甲烷的气流量分别调整为10sccm和5sccm，保温30min；待化学气相沉积过程结束后，停止通入甲烷和氢气，以5℃/min速度降至室温，得到铜/石墨烯与二氧化硅或硅混合粉体。

最后，以乙醇/水为分散液，分离出二氧化硅或硅，真空干燥后得到石墨烯包覆铜粉体。

本实施例的铜-石墨烯电触头具体按以下步骤进行：

首先，将石墨烯粉体与石墨烯包覆铜粉体混合，机械搅拌3h得到铜-石墨烯混合粉体。

最后，将上述制备的铜-石墨烯混合粉体按照压样，烧结，轧制，挤压，冲压的传统的电触点制备工艺得到铜-石墨烯电触头。

本实施例制得的含有石墨烯包覆铜粉体98wt％、石墨烯粉体2wt％的铜-石墨烯电触头进行相关测试，其密度为8.36g/cm³，电导率为98％iacs，接触电阻为1.16mω，对比与传统的铜基电触头，其电导率高，接触电阻低，在实际产品应用中有明显的优势。

实施例四

一种铜-石墨烯电触头，由石墨烯包覆铜粉体和石墨烯粉体制成，其中石墨烯包覆铜粉体含量为97wt％，石墨烯粉体含量为3wt％。

本实施例的石墨烯包覆铜粉体具体按以下步骤进行：

首先，将铜粉与二氧化硅小球按5∶8的比例置于混料机中混合10min，得到铜-二氧化硅混合粉体；采用的铜粉为雾化球形铜粉，粒径为100μm，二氧化硅小球粒径为20μm。

然后，将得到的铜-二氧化硅混合粉体置于化学气相沉积真空室中，将化学气相沉积系统抽真空至10^-3kpa，以气流量为500sccm通入氩气，直至化学气相沉积真空室处于常压状态，将氩气的气流量调整为100sccm，以10℃/min速度升温至650℃，打开等离子体射频电源，功率为150w。最后通入甲烷和氢气，甲烷和氢气的气流量分别为5sccm和2sccm，保温20min。待化学气相沉积过程结束后，关闭等离子体射频电源，停止通入甲烷和氢气，以10℃/min速度降至室温，得到铜/石墨烯与二氧化硅或硅混合粉体。

最后，以乙醇/水为分散液，分离出二氧化硅或硅，真空干燥后得到石墨烯包覆铜粉体。

本实施例的铜-石墨烯电触头具体按以下步骤进行：

首先，将石墨烯粉体与石墨烯包覆铜粉体混合，机械搅拌3h，得到铜-石墨烯混合粉体。

最后，将上述制备的铜-石墨烯混合粉体按照压样，烧结，轧制，挤压，冲压的传统的电触点制备工艺得到铜-石墨烯电触头。

本实施例制得的含有石墨烯包覆铜粉体97wt％、石墨烯粉体3wt％的铜-石墨烯电触头进行相关测试，其密度为8.31g/cm³，电导率为96％iacs，接触电阻为1.21mω，与传统的铜基电触头相比，电导率提高，接触电阻降低，具有很大的实际应用价值。

实施例五

一种铜-石墨烯电触头，由石墨烯包覆铜粉体制成，含量为100wt％。

所述的石墨烯包覆铜粉体具体按以下步骤进行：

首先，将铜粉与二氧化硅小球按5∶4的比例置于混料机中混合10min，得到铜-二氧化硅混合粉体；采用的铜粉为电解铜粉，粒径为300μm，二氧化硅小球的粒径为1μm。。

然后，将得到的铜-二氧化硅混合粉体置于化学气相沉积真空室中，将化学气相沉积系统抽真空至10^-3kpa真空度，以气流量为500sccm通入氩气，直至化学气相沉积真空室处于常压状态，将氩气的气流量调整为500sccm；再以10℃/min的升温速度升温至600℃，以气流量为50sccm通入氢气，保温30min；最后通入甲烷，将氢气和甲烷的气流量分别调整为10sccm和3sccm，保温10min；待化学气相沉积过程结束后，停止通入氢气和甲烷，以15℃/min的速度降至室温，即得到铜/石墨烯与二氧化硅或硅混合粉体。

接着，以水为分散液，震动分离去除二氧化硅或硅，真空干燥，得到石墨烯包覆铜粉体。

继续将上述制备的石墨烯包覆铜粉体经过压样，烧结，轧制，挤压，冲压的传统的电触点制备工艺得到铜-石墨烯电触头。其密度为8.42g/cm³，电导率为99.8％iacs，接触电阻为0.81mω，与传统的铜基电触头相比，电导率提高，接触电阻降低。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。