一种超高导电铜基复合材料的制备方法

本发明涉及一种复合材料的制备方法，具体涉及一种超高导电铜基复合材料的制备方法。

背景技术：

1、近些年来，随着电气、交通、机械制造等行业不断发展，对于高导电材料的需求不断提升，传统的金属导电材料对于纯度的要求高，导电率的提升空间有限，导致发展出现了明显的瓶颈，目前越来越多的学者认为金属基复合材料是导电材料发展的新趋势。其中铜基复合材料是以金属铜为基体，与一种或多种材料经过特殊工艺制备而成，其具有结构和成分的可设计性，不仅综合了铜基体和第二相各自的性能，同时通过各组分之间性能互补和关联获得优良的综合性能，从而满足不同领域对高性能导电材料的需求。

2、石墨烯是一种由碳原子通过sp2杂化轨道结合而成的单原子层厚度的二维材料，因其具有极高的载流子传输效率及良好的力学性能，可用于高导电铜基复合材料的开发。由于石墨烯具有极高的载流子传输效率的特性，石墨烯/铜复合材料中的石墨烯可以作为“高速通道”，使复合材料的载流子传输效率极大的提升以提高材料的导电性。基于这种原理，石墨烯在铜基体中的分散均匀程度成为了导电性提升的关键，如何使石墨烯更好的分散到基体中成为了各个研究团队开发的核心内容。传统的制备石墨烯/铜复合材料的思路为球磨与烧结法，即将石墨烯与铜粉通过球磨完全混合后，再进行烧结制备出石墨烯/铜复合材料此种方法工艺简单，但在球磨过程中，石墨烯的完整性和分散性无法保证。专利cn117505848a中，通过将铜-纳米混凝胶混合物干燥并真空退火的方式制备了石墨烯/铜复合材料粉末，后通过热压烧结制备了石墨烯/铜复合材料。此种方法省略了球磨过程，保证了石墨烯的完成性，降低了成本，但无法保证石墨烯充分分散到基体中，故而其导电率未获得较大的提升。另一种思路是通过原位生成石墨烯制备石墨烯均匀分散的复合材料。如专利cn 106128545a中，通过先将石墨颗粒装填到套管中，通过拉拔的方式得到了石墨烯基导线。然而石墨间固体存在润滑作用，导致石墨片层间的相互作用力较小，仅通过在拉拔过程中多层石墨之间的相互作用难以促使石墨片层完全分离。而当复合材料中存在未分散的完整的石墨颗粒时，将严重降低该复合材料的力学和电学性能。类似的，专利cn 106898408a中，将石墨烯层与两个或多个衬底层进行层叠，形成石墨烯层和衬底层交替连接的片材；然后压缩片材，使石墨烯层压缩在2层衬底层之间，形成层状结构，得石墨烯基电导体。这种方法通过压缩的办法得到了导电性能优良的石墨烯基复合材料，但其工艺复杂，需一层一层的叠层制备。并且需要在前期制备出层数较少的石墨烯作为原材料，成本较高，难以大规模制备。

技术实现思路

1、石墨片层间的结合力为范德华力，在物理、机械、化学等作用力下，片层间距可以增大，石墨转变为膨胀石墨，如果在片层之间渗透填充其他物质，将会大大的提高在拉拔过程中石墨片层所受到的剪切力。基于此，在本发明中我们首先通过微波法制备了膨胀石墨，利用膨胀石墨多孔的特性，增大铜粉和石墨烯的接触面积。在之后的拉拔过程中，膨胀石墨与铜粉充分接触，大量的铜颗粒填充到石墨的层间，大大地提高了拉拔过程中石墨层与层之间的剪切力，制备出石墨烯均匀分散的复合材料。而石墨烯具有极高的载流子传输效率的特性，石墨烯/铜复合材料中的石墨烯可以作为“高速通道”，使复合材料的载流子传输效率极大的提升以提高材料的导电性。通过此种原理，本专利制备了石墨烯分散均匀的具有超高导电率的石墨烯/铜基复合材料。

2、本发明的目的在于，解决石墨烯/铜复合材料中，石墨烯分散不均匀，导电性提升不显著的问题，提供一种超高导电铜基复合材料的制备方法，通过将铜粉与膨胀石墨混合的方法，将铜颗粒填充到层状石墨的层间，以提高拉拔过程中对石墨片层的剪切力。本发明制备工艺简单，成本低，适合工业化、连续化生产。

3、本发明是通过以下技术方案实现的：

4、一种超高导电铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

5、（1）采用微波法制备膨胀石墨。

6、（2）将膨胀石墨与铜粉混合，进行机械球磨。

7、（3）将混合粉末填充入可拉拔的套管中得石墨/铜复合材料填充管。

8、（4）将石墨/铜复合材料填充管进行拉拔处理。

9、优选地，所述的步骤（1）中膨胀后膨胀石墨的体积膨胀倍数为150-200倍，微波处理时间为60 s，微波功率为2000 w。

10、优选地，所述的步骤（2）中，混合粉末中膨胀石墨与铜粉的质量比为1:1000-3:1000。

11、优选地，所述的步骤（2）中，将所述的混合粉末在研体中混合均匀后，将其放置入球磨罐中，加入无水乙醇并通入保护气体后进行球磨处理。球磨后，放入将混合粉末放入烘箱中真空烘干，得到膨胀石墨/铜混合粉末。

12、优选地，所述的球磨罐中的保护气体为高纯氩气，所述的无水乙醇浓度为99.5%。

13、优选地，所述的步骤（2）中，球料比为8:1-12:1。

14、优选地，所述的步骤（2）中，球磨工艺为：以200r/min转速正转30min后，反转30min，每重复两次后停转冷却20min，球磨时间为6h。

15、优选地，其特征在于，所述的步骤（3）中，所述的可拉拔的套管为铜套管，铜管直径为150-180mm，铜管厚度为4.5-5.5mm。

16、优选地，其特征在于，所述的步骤（4）中拉拔工艺为：首先对材料进行热轧处理，制备出直径为6-15 mm的铜杆；后通过多道次，每道次变形率为2%的拉拔，最终得到直径在1.5-2.5mm的石墨烯/铜复合导线；多次拉拔过程中，对石墨/铜复合材料填充管进行退火热处理，退火处理在惰性气氛或真空环境中进行，退火温度为350-500 ℃。

17、有益效果

18、本发明公开了一种超高导电铜基复合材料的制备方法其优势在于：

19、1.本发明制备的石墨烯/铜复合材料，由于石墨烯超高的载流子传输效率，可以在铜基体内部作为“高速通道”，与铜基体协同作用，极大地改善合金的导电性。

20、2.采用膨胀石墨/铜成型，通过机械剪切力作用剥离石墨，铜粉体的添加减小了石墨间界面润滑作用，增大了石墨剥离的剪切力，剥离出的石墨烯与铜形成铜基复合材料，缩短了石墨烯增强铜基复合材料制备流程，突破了石墨烯/铜复合材料产业化低成本制备技术瓶颈。

21、3.本工艺采用微波法制备膨胀石墨，将膨胀石墨与铜粉混合，进行机械球磨，将混合粉末填充入可拉拔的套管中得石墨/铜复合材料填充管，再将石墨/铜复合材料填充管进行拉拔处理获得石墨烯/铜复合材料导线。对比传统的铜导线电导率提升了52.5%，抗拉强度提升了28.1%，实现了力学性能与导电性能的同步提升。对比相同截面积的铜合金导线，该复合材料减少了12% 铜的使用量，极大的降低了生产成本。

技术特征：

1.一种超高导电铜基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤（1）中膨胀后膨胀石墨的体积膨胀倍数为150-200倍，微波处理时间为60 s，微波功率为2000 w。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤（2）中，混合粉末中膨胀石墨与铜粉的质量比为1:1000-3:1000。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤（2）中，将所述的混合粉末在研体中混合均匀后，将其放置入球磨罐中，加入无水乙醇并通入保护气体后进行球磨处理。球磨后，放入将混合粉末放入烘箱中真空烘干，得到膨胀石墨/铜混合粉末。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述的球磨罐中的保护气体为高纯氩气，所述的无水乙醇浓度为99.5%。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤（2）中，球料比为8:1-12:1。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤（2）中，球磨工艺为：以200r/min转速正转30min后，反转30min，每重复两次后停转冷却20min，球磨时间为6h。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤（3）中，所述的可拉拔的套管为铜套管，铜管直径为150-180mm，铜管厚度为4.5-5.5mm。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤（4）中拉拔工艺为：首先对材料进行热轧处理，制备出直径为6-15 mm的铜杆；后通过多道次，每道次变形率为2%的拉拔，最终得到直径在1.5-2.5mm的石墨烯/铜复合导线；多次拉拔过程中，对石墨/铜复合材料填充管进行退火热处理，退火处理在惰性气氛或真空环境中进行，退火温度为350-500℃。

技术总结本发明公开了一种超高导电铜基复合材料的制备方法，主要步骤为：（1）采用微波法制备膨胀石墨。（2）采用机械球磨法将膨胀石墨与铜粉混合（3）将混合粉末填充入可拉拔的套管中得石墨/铜复合材料填充管；（4）对石墨/铜复合材料填充管进行拉拔处理，在铜颗粒与石墨的剪切力作用下，转变为石墨烯/铜复合材料。本发明利用拉拔过程中石墨与铜粉的相互作用，实现石墨/铜复合材料向石墨烯/铜复合材料的转变，此工艺方法成本低廉，可大规模、连续化制备。技术研发人员：冷金凤,段政,周庆波,陈曦受保护的技术使用者：南京工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11