用于制备石墨烯-铜复合材料的联合机组及其制备方法与流程

本发明涉及复合材料领域，提供一种用于制备石墨烯-铜复合材料的联合机组及其制备方法。

背景技术：

1、铜的导电性好、机械强度高、耐用保值、价格适中，是目前最主要的导电材料，石墨烯室温载流子迁移率大于150000cm2/(v·s)，铜的电子自由程短，自由电子多，石墨烯的电子自由程长，自由电子少，为此，将铜和石墨烯复合可获得一种具有高导电率的新型复合材料。

2、在石墨烯-铜复合材料的批量制备方面，多采用粉末冶金的工艺路线将石墨烯粉体与铜粉混合，再经过塑性加工成型，难以获得有序的层状结构，因此难以得到理想的电性能。而层状的石墨烯-铜复合材料多采用热压机进行静态热压，其能源消耗大、产量低，且难以制备长尺寸的产品。少量的石墨烯-铜复合材料连续制备设备停留在实验室或模型机阶段。为此，亟需一种可实现宏量制备石墨烯-铜复合材料长连续成形联合机组，实现具有有序层状结构的高导电石墨烯铜基复合材料的长尺寸连续批量制备，形成规模化产能。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种用于制备石墨烯-铜复合材料的联合机组，解决目前石墨烯-铜复合材料的能源消耗大、产量低，且难以制备长尺寸的产品，无法满足应用需求的技术问题。

2、本发明实施例还提供一种基于上述的用于制备石墨烯-铜复合材料的联合机组的制备方法。

3、本发明第一方面实施例提供一种用于制备石墨烯-铜复合材料的联合机组，包括：

4、第一复合成型组，包括依次设置的第一放卷机组、第一加热机组、第一轧制机组以及第一收卷机组；

5、第二复合成型组，包括依次设置的第二放卷机组、第二加热机组、第二轧制机组以及第二收卷机组；

6、第三复合成型组，包括依次设置的第三放卷机组、第三预加热机组、第三轧制机组、第三终加热机组以及第三收卷机组；

7、其中，所述第一收卷机组收卷后用于所述第二放卷机组，所述第二收卷机组收卷后用于所述第三收卷机组。

8、本发明提供了一种用于制备石墨烯-铜复合材料的连续化、多步骤联合机组，该机组设计为三个相互衔接的复合成型组，每组包括不同的放卷、加热和轧制单元以及收卷机组，以实现对石墨烯与铜箔或铜粉等原料进行逐级复合及加工处理。

9、第一复合成型组通过第一放卷机组将初步材料(如纯铜箔或含有石墨烯的铜箔)释放，并经过第一加热机组对材料预热以提高其塑性，随后在第一轧制机组中进行初步的复合压延，最后由第一收卷机组收集初步复合后的材料。

10、第二复合成型组则接收来自第一收卷机组的产物，再次进行放卷、加热处理以进一步强化复合效果或者调整复合层结构，然后通过第二轧制机组实施更为精细的压制，确保石墨烯均匀分布并牢固地结合在铜基体上，之后第二收卷机组完成此阶段的半成品收集。

11、第三复合成型组作为最终成型阶段，从第二收卷机组获取物料，通过第三预加热机组预先调整温度，保证在第三轧制机组中进行最后一次关键的复合压延时具备理想的工艺条件。在此过程中，可能还会进行更深度的石墨烯分散和增强作用，而第三终加热机组则可以用于消除应力、改善微观组织结构或促进界面反应。最后，经过充分复合和成型的石墨烯-铜复合材料在第三收卷机组上被卷绕成最终产品。

12、整个机组的设计理念在于通过多步骤连续操作，不仅能够精确控制复合过程中的温度、压力等参数，还能有效提升复合材料的质量和性能一致性，满足工业化大规模生产的需求。该复合材料可以实现至少大于108％iacs的高电导率，且产品可达到100m以上的长连续尺寸，形成规模化产能，因此，该长连续轧压系统的产品可广泛应用于电机等工业驱动领域，新能源汽车、风力发电、光伏发电等新能源领域，电缆、母排、变压器等电力领域。

13、根据本发明的一个实施例，所述第一放卷机组包括20组第一放卷辊。

14、根据本发明的一个实施例，所述第一放卷辊上缠绕有铜箔；

15、所述铜箔经过所述第一轧制机组的轧制后形成铜薄板；

16、所述第一收卷机组用于缠绕铜薄板。

17、根据本发明的一个实施例，所述第二放卷机组包括16组第二放卷辊。

18、根据本发明的一个实施例，所述第二放卷辊上缠绕有铜薄板；

19、所述铜薄板经过所述第二轧制机组的轧制后形成铜厚板；

20、所述第三收卷机组用于缠绕铜厚板。

21、根据本发明的一个实施例，所述第一加热机组、所述第二加热机组以及所述所述第三预加热机组、所述第三终加热机组包括管式炉、直流石墨加热器中的至少一种。

22、根据本发明的一个实施例，所述第一轧制机组、所述第二轧制机组以及所述第三轧制机组均设置有加热功能。

23、根据本发明的一个实施例，所述第一轧制机组、所述第二轧制机组以及所述第三轧制机组上设置有纠偏传感器、速度传感器、张力传感器中的至少一种。

24、根据本发明的一个实施例，还包括密封箱，所述第一复合成型组、所述第二复合成型组以及所述第三复合成型组设置在所述密封箱中。

25、本发明第二方面实施例提供一种基于上述的用于制备石墨烯-铜复合材料的联合机组的制备方法，包括：

26、通过所述第一放卷机组将铜箔放卷，以使所述铜箔依次经过所述第一加热机组、所述第一轧制机组并由所述第一收卷机组收卷形成铜薄板卷；

27、通过所述第二放卷机组将所述铜薄板卷放卷，以使所述铜薄板依次经过第二加热机组、所述第二轧制机组并由所述第二收卷机组收卷现成铜厚板；

28、通过所述第三放卷机组将所述铜厚板放卷，以使所述铜厚板依次经过所述第三预加热机组、所述第三轧制机组、所述第三终加热机组并由所述第三收卷机组收卷。

29、本发明第二方面的实施例提供了一种具体操作流程，用于使用上述的石墨烯-铜复合材料联合机组来制备石墨烯增强的铜基复合材料。整个工艺过程如下：

30、第一阶段：初步处理与复合

31、通过第一放卷机组将纯铜箔连续不断地放卷出来。铜箔经过精确温度控制的第一加热机组预热，使得铜箔软化并具备良好的可塑性。预热后的铜箔在第一轧制机组中进行轧制，此时或在此之前可能已经将石墨烯均匀涂覆或分散于铜箔表面(尽管此处未明确说明何时加入石墨烯，但根据设备结构和复合材料的制备原理，通常会在加热后、轧制前或轧制过程中实现石墨烯与铜箔的结合)。经过轧制后的复合材料被第一收卷机组卷绕成具有一定厚度和宽度的铜薄板卷。

32、第二阶段：进一步加工与复合增强

33、将第一阶段得到的铜薄板卷从第二放卷机组放出，再次进行加热处理，这次在第二加热机组中的加热可能是为了强化石墨烯与铜之间的结合或调整材料性能。加热后的铜薄板在第二轧制机组中进行二次压延，形成具有一定厚度和强度的铜厚板。铜厚板经过这一阶段后，由第二收卷机组收集起来，以准备进入下一轮更深度的复合加工。

34、第三阶段：最终成型与优化

35、第三放卷机组将第二阶段得到的铜厚板放卷展开。铜厚板首先通过第三预加热机组进行预先调整其内部组织结构和温度分布，以便在后续轧制时获得更好的复合效果。在第三轧制机组中进行最后的关键性压延处理，确保石墨烯充分均匀地分布在铜基体中，并达到所需的复合材料特性。最后，经过第三终加热机组进行最终的热处理步骤，这一步可以用来消除内应力、改善微观结构、稳定界面结合等，以提高复合材料的整体性能。完成所有工序的石墨烯-铜复合材料最终由第三收卷机组收卷成成品卷材。通过这样的多级连续化处理方法，该发明能够有效地制备出具有良好力学性能、导电性和热传导性的石墨烯-铜复合材料。

36、本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

37、本发明提供了一种用于制备石墨烯-铜复合材料的连续化、多步骤联合机组，该机组设计为三个相互衔接的复合成型组，每组包括不同的放卷、加热和轧制单元以及收卷机组，以实现对石墨烯与铜箔或铜粉等原料进行逐级复合及加工处理。

38、第一复合成型组通过第一放卷机组将初步材料(如纯铜箔或含有石墨烯的铜箔)释放，并经过第一加热机组对材料预热以提高其塑性，随后在第一轧制机组中进行初步的复合压延，最后由第一收卷机组收集初步复合后的材料。

39、第二复合成型组则接收来自第一收卷机组的产物，再次进行放卷、加热处理以进一步强化复合效果或者调整复合层结构，然后通过第二轧制机组实施更为精细的压制，确保石墨烯均匀分布并牢固地结合在铜基体上，之后第二收卷机组完成此阶段的半成品收集。

40、第三复合成型组作为最终成型阶段，从第二收卷机组获取物料，通过第三预加热机组预先调整温度，保证在第三轧制机组中进行最后一次关键的复合压延时具备理想的工艺条件。在此过程中，可能还会进行更深度的石墨烯分散和增强作用，而第三终加热机组则可以用于消除应力、改善微观组织结构或促进界面反应。最后，经过充分复合和成型的石墨烯-铜复合材料在第三收卷机组上被卷绕成最终产品。

41、整个机组的设计理念在于通过多步骤连续操作，不仅能够精确控制复合过程中的温度、压力等参数，还能有效提升复合材料的质量和性能一致性，满足工业化大规模生产的需求。该复合材料可以实现至少大于108％iacs的高电导率，且产品可达到100m以上的长连续尺寸，形成规模化产能，因此，该长连续轧压系统的产品可广泛应用于电机等工业驱动领域，新能源汽车、风力发电、光伏发电等新能源领域，电缆、母排、变压器等电力领域。

42、进一步地，本发明第二方面的实施例提供了一种具体操作流程，用于使用上述的石墨烯-铜复合材料联合机组来制备石墨烯增强的铜基复合材料。整个工艺过程如下：

43、第一阶段：初步处理与复合

44、通过第一放卷机组将纯铜箔连续不断地放卷出来。铜箔经过精确温度控制的第一加热机组预热，使得铜箔软化并具备良好的可塑性。预热后的铜箔在第一轧制机组中进行轧制，此时或在此之前可能已经将石墨烯均匀涂覆或分散于铜箔表面(尽管此处未明确说明何时加入石墨烯，但根据设备结构和复合材料的制备原理，通常会在加热后、轧制前或轧制过程中实现石墨烯与铜箔的结合)。经过轧制后的复合材料被第一收卷机组卷绕成具有一定厚度和宽度的铜薄板卷。

45、第二阶段：进一步加工与复合增强

46、将第一阶段得到的铜薄板卷从第二放卷机组放出，再次进行加热处理，这次在第二加热机组中的加热可能是为了强化石墨烯与铜之间的结合或调整材料性能。加热后的铜薄板在第二轧制机组中进行二次压延，形成具有一定厚度和强度的铜厚板。铜厚板经过这一阶段后，由第二收卷机组收集起来，以准备进入下一轮更深度的复合加工。

47、第三阶段：最终成型与优化

48、第三放卷机组将第二阶段得到的铜厚板放卷展开。铜厚板首先通过第三预加热机组进行预先调整其内部组织结构和温度分布，以便在后续轧制时获得更好的复合效果。在第三轧制机组中进行最后的关键性压延处理，确保石墨烯充分均匀地分布在铜基体中，并达到所需的复合材料特性。最后，经过第三终加热机组进行最终的热处理步骤，这一步可以用来消除内应力、改善微观结构、稳定界面结合等，以提高复合材料的整体性能。完成所有工序的石墨烯-铜复合材料最终由第三收卷机组收卷成成品卷材。通过这样的多级连续化处理方法，该发明能够有效地制备出具有良好力学性能、导电性和热传导性的石墨烯-铜复合材料。

49、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。