提高铜基石墨烯复合材料性能的高温定向形变方法与流程

本发明涉及合金制备，尤其涉及一种提高铜基石墨烯复合材料性能的高温定向形变方法。

背景技术：

1、电力能源是当代社会生产生活中最重要的能源，我国每年输配电损失达千亿度以上，面对电损耗过高的困境，急需采用导电率更高的导电材料避免更大的电损耗。由于铜具有优异的电导率，是目前主要的导电材料。当前提高铜导电性能的常规方法是纯化和单晶化，但纯化和单晶化已经接近材料的物理极限；除此之外，铜的强度相对较差，进一步限制了导电铜应用领域的拓展与升级。石墨烯被认为是增强铜基体力学性能和导电性能的理想增强体而被大量研究。目前，石墨烯增强铜基复合材料的综合性能相较于纯铜已有明显提高，但其制备工艺与稳定性等问题仍制约着其高强、高导综合性能的提升，并限制了其在相关领域的应用发展。并且，由于石墨烯在铜基体中极易团聚，以及石墨烯与铜的界面结合强度较差，铜/石墨烯复合材料的力学性能和导电性能也远未达到预期值。

2、使用频率较高的粉末冶金法可以在一定程度上改善石墨烯的分散性，而且制造成本低，工艺步骤简单，是企业最有可能实现工业化生产的方法，但该方法通常采用机械混合提高石墨烯分散性，石墨烯团聚现象仍然非常严重，导致导电性能降低，同时，石墨烯在铜基体中的无序化分布均不利于铜基复合材料力学性能的提高。

3、专利cn115747546a提供了一种石墨烯增强金属基复合材料的制备方法及搅拌摩擦装置，该专利采用摩擦挤压，同时合理控制石墨烯和金属粉末的用量，使得导电性和抗拉强度相比现有技术已经有较明显的提高。但该方法仍难以避免石墨烯的团聚和无序化分布问题。

4、因此，有必要提供一种石墨烯均匀有序分布，并保持石墨烯完整结构的铜/石墨烯复合材料及制备方法，使得石墨烯进一步增强铜基复合材料的力学性能和导电性能，实现工业化生产。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种提高铜基石墨烯复合材料性能的高温定向形变方法，联合摩擦挤压和多道次热轧或热拉拔工艺，能够有效改善石墨烯的团聚问题，实现石墨烯在铜基内的定向分布效果，进一步提升铜基复合材料的机械性能及导电性能。

2、为实现上述目的，本发明提供一种提高铜基石墨烯复合材料性能的方法，包括：通过摩擦挤压将增强粉体与铜基材复合，得到复合材料母材；对所述复合材料母材进行多道次热轧或热拉拔，得到铜基石墨烯复合材料；

3、所述增强粉体包括石墨烯和铜粉；每道次所述热轧或热拉拔的直径变化范围为0.1~1.2mm，每道次所述热轧或热拉拔的形变比在1.2~5，优选为1.2~2，总的形变比大于等于80。本发明的形变比（轧制比）是指形变前后的横截面积之比。总的形变比（总轧制比）是指复合材料母材初始横截面积与铜基石墨烯复合材料的最终横截面积之比。

4、摩擦挤压是指先采用搅拌摩擦工艺再径向挤压出料。通过摩擦挤压将石墨烯与铜粉预混降低石墨烯的团聚，同时减少搅拌摩擦对石墨烯结构的破坏，而且可借助铜粉与铜基材的高界面结合力，提高石墨烯在铜基材中的分散性和晶界密度，从而显著提高增强作用。利用搅拌摩擦后，复合预制体的可塑性，进行再挤压塑形，可初步促进石墨烯的定向和均匀分散；接着再进行小形变比、多道次的热轧或热拉拔，使得各个方向分散的石墨烯逐渐转化为与形变方向相同的定向分散（即石墨烯片层所在面与形变方向平行，形变方向即复合材料母材的长度方向），最终显著提高铜基复合材料的机械性能及导电性能。

5、进一步的，每道次所述热轧或热拉拔的直径变化范围为0.3~0.8mm，优选为0.3~0.6mm，总的形变比为90~200，优选为90~150。小形变比可减少轧制过程对石墨烯结构的破坏，同时能够实现石墨烯最大化的定向分散，防止石墨烯的二次团聚。总的形变比较大，有助于石墨烯的定向分散，最大化的发挥对铜基材的增强作用。

6、进一步的，所述热轧或热拉拔的温度在500℃以上，优选在650~850℃，更优选为750~850℃。复合材料母材在高温下发生塑性形变，有助于直径的缩小化，石墨烯在此过程中沿着热轧或热拉拔方向移动，实现均匀和定向分布。

7、进一步的，所述多道次热轧或热拉拔过程中还包括：进行400~480℃，1~3h的去应力退火处理。进行大比例塑性形变处理后，材料可能会因过大的形变产生硬化现象，如果继续进行形变处理，则复合材料表面会出现裂纹，因此，如果出现显著的硬化，可视情况进行退火处理。

8、进一步的，所述每1~2道次热轧或热拉拔后，进行一次所述去应力退火处理。

9、进一步的，所述复合材料母材为直径在3~10mm的棒材；所述铜基石墨烯复合材料为直径在0.1~1mm的棒材。此种尺寸的复合材料母材经本发明的工艺，所得铜基石墨烯复合材料的性能更优，即石墨烯在复合材料中的分散性更好。

10、进一步的，所述石墨烯占所述铜基石墨烯复合材料总质量的0.1wt%-2wt%，所述铜粉与所述石墨烯的质量比为（10-45）:1。

11、进一步的，所述复合材料母材的制备方法包括：将所述增强粉体预埋于所述铜基材中，通过搅拌头对预埋有所述增强粉体的部位进行旋转搅拌摩擦，得到复合预制体，然后进行径向挤压，冷却后即得所述复合材料母材。所述铜基材和复合材料母材的横截面积比为挤压比，所述挤压比大于1，例如为1.5-5，或5-10，或10-20或20-30等。

12、通过径向挤压单元对复合预制体进行径向挤压，径向是指与搅拌头轴向垂直，且与铜基材前进方向垂直的方向。具体的，径向挤压单元的直径由靠近搅拌摩擦单元一端至成型出料单元一端逐渐减小，且径向挤压单元与搅拌摩擦单元的接触部位为平滑过渡结构，以便于复合预制体被挤入径向挤压区。此时，径向挤压单元为周壁封闭式腔体，使得复合预制体只向出料端前进，防止复合预制体从周壁挤出。径向挤压单元的周壁平均直径小于铜基材的平均直径，以便实现挤压变形。具体可参见专利cn115747546a中的搅拌摩擦装置和方法。

13、进一步的，包括：将直径在3~10mm的复合材料母材加热至650~850℃，在高温状态下依次进行2道次轧制，每道次的直径变化范围为0.1~1.2mm；然后在400~480℃下，进行1~3h的去应力退火处理；

14、重复所述轧制和退火处理，直至总的形变比达到80以上，得到铜基石墨烯复合材料。

15、本发明还提供一种铜基石墨烯复合材料，由以上任一项所述的方法得到。

16、本发明的有益效果如下：

17、1、本发明提供的提高铜基石墨烯复合材料性能的方法，首先通过摩擦挤压将石墨烯与铜粉与铜基材复合，减少石墨烯结构的破坏，并提高石墨烯在铜基材中的分散性和晶界密度；接着通过小形变、多道次热轧或热拉拔工艺，使得各个方向分散的石墨烯逐渐转化为与形变方向相同的定向分散，最终显著提高铜基复合材料的机械性能及导电性能。

18、2、本发明能够有效剥离高层数石墨烯或已发生团聚的石墨烯，在成型加工的过程中实现复合材料性能的改善，成本能够有效控制。

技术特征：

1.一种提高铜基石墨烯复合材料性能的方法，其特征在于，包括：通过摩擦挤压将增强粉体与铜基材复合，得到复合材料母材；对所述复合材料母材进行多道次热轧或热拉拔，得到铜基石墨烯复合材料；

2.根据权利要求1所述的提高铜基石墨烯复合材料性能的方法，其特征在于，每道次所述热轧或热拉拔的直径变化范围为0.3~0.8mm，总的形变比为90~200。

3.根据权利要求1或2所述的提高铜基石墨烯复合材料性能的方法，其特征在于，所述热轧或热拉拔的温度在500℃以上，优选在650~850℃。

4.根据权利要求1所述的提高铜基石墨烯复合材料性能的方法，其特征在于，所述多道次热轧或热拉拔过程中还包括：进行400~480℃，1~3h的去应力退火处理。

5.根据权利要求3所述的提高铜基石墨烯复合材料性能的方法，其特征在于，每1~2道次热轧或热拉拔后，进行一次所述去应力退火处理。

6.根据权利要求1所述的提高铜基石墨烯复合材料性能的方法，其特征在于，所述复合材料母材为直径在3~10mm的棒材；所述铜基石墨烯复合材料为直径在0.1~1mm的棒材。

7.根据权利要求1-6任一项所述的提高铜基石墨烯复合材料性能的方法，其特征在于，所述石墨烯占所述铜基石墨烯复合材料总质量的0.1wt%-2wt%，所述铜粉与所述石墨烯的质量比为（10-45）:1。

8.根据权利要求1-7任一项所述的提高铜基石墨烯复合材料性能的方法，其特征在于，所述复合材料母材的制备方法包括：将增强粉体预埋于铜基材中，对预埋有所述增强粉体的部位进行旋转搅拌摩擦，然后进行径向挤压；所述铜基材和复合材料母材的横截面积比为挤压比，所述挤压比大于1。

9.根据权利要求8所述的提高铜基石墨烯复合材料性能的方法，其特征在于，包括：将直径在3~10mm的复合材料母材加热至650~850℃，在高温状态下依次进行2道次轧制，每道次的直径变化范围为0.1~1.2mm；然后在400~480℃下，进行1~3h的去应力退火处理；

10.一种铜基石墨烯复合材料，其特征在于，由权利要求1-9任一项所述的方法得到。

技术总结本发明涉及合金制备技术领域，具体为一种提高铜基石墨烯复合材料性能的高温定向形变方法，通过摩擦挤压将增强粉体与铜基材复合，得到复合材料母材；对所述复合材料母材进行多道次热轧或热拉拔，得到铜基石墨烯复合材料；所述增强粉体包括石墨烯和铜粉；每道次所述热轧或热拉拔的直径变化范围为0.1~1.2mm，总的形变比大于等于80。本发明联合摩擦挤压和多道次热轧或热拉拔工艺，能够有效改善石墨烯的团聚问题，实现石墨烯在铜基内的定向分布效果，从而显著提高铜基复合材料的机械性能及导电性能。技术研发人员：裴中正,章潇慧,柳柏杉,王雅伦,彭伟超,梁俊才,赵天语,陈强,李桂莲,田寅受保护的技术使用者：中车工业研究院有限公司技术研发日：技术公布日：2024/11/4