一種三維石墨烯原位包覆銅復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用粉末冶金原位合成三維石墨烯包覆銅復(fù)合材料的方法，屬于粉末冶金技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]銅是一種導(dǎo)電性、延展性、導(dǎo)熱性都很好的材料，廣泛應(yīng)用于電氣、機(jī)械和國(guó)防等工業(yè)。美中不足的是，銅材的強(qiáng)度很低，在電子器件(例如PCB板)的應(yīng)用上由于強(qiáng)度不夠高而產(chǎn)生種種問(wèn)題，例如壽命縮短，易于損壞等。隨著社會(huì)發(fā)展以及能源的緊張，人們對(duì)于輕質(zhì)高強(qiáng)的材料出現(xiàn)了更多的需求，銅基復(fù)合材料是一種理想的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)這些要求。在高強(qiáng)度銅材(例如強(qiáng)度可高達(dá)1500MPa的鈹青銅)的制備上，傳統(tǒng)的方法借助于合金化法以及添加第二項(xiàng)顆粒得以實(shí)現(xiàn)，但是銅合金強(qiáng)度的提高是建立在導(dǎo)電、導(dǎo)熱等性能下降的基礎(chǔ)上。復(fù)合材料法同樣適用于銅材的制備，根據(jù)復(fù)合材料設(shè)計(jì)法則(Ec = (1-f)Em+fEp),第二相的添加在實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化效果的同時(shí)，還可以克服基體材料的一些不足，從而獲得輕質(zhì)高強(qiáng)的銅材，克服傳統(tǒng)方法的不足。
[0003]單層碳原子的石墨烯作為一種新型的材料，除了在能源方面的應(yīng)用，它具有優(yōu)良的力學(xué)性能，是目前為止發(fā)現(xiàn)的最為堅(jiān)硬的材料。近十年來(lái)，用石墨烯作為增強(qiáng)相來(lái)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)機(jī)體材料的研究層出不窮。
[0004]目前很多研究著眼于把石墨烯片直接和銅粉進(jìn)行球磨混合，但是這會(huì)造成石墨烯的團(tuán)聚并對(duì)石墨烯造成損傷。這是目前石墨烯增強(qiáng)金屬基材料做遇到的瓶頸所在，如何做到石墨烯在金屬基體中均勻分散以及結(jié)構(gòu)完好是目前研究的焦點(diǎn)。
[0005]在此之前，研究人員利用在銅片上旋涂PMMA薄膜，然后經(jīng)過(guò)還原可制備石墨烯。該項(xiàng)發(fā)明采用“短時(shí)球磨-退火還原”法作為一種原位合成的方法，可以先將固體碳源在銅粉表面上的均勻分散，由于銅粉堆積的效果，還原催化過(guò)程中碳原子在銅粉表面生成三維石墨烯，得到原位生長(zhǎng)的三維石墨烯包覆銅的復(fù)合材料。與傳統(tǒng)在銅片表面原位催化所生長(zhǎng)的二維石墨烯有所不同，在復(fù)合材料中，由于二維石墨烯的平面結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的各向異性，在力學(xué)性能上不能保證各向同性的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種簡(jiǎn)單易行的粉末冶金原位合成石墨烯/銅復(fù)合材料的方法。該方法能夠有效克服傳統(tǒng)外加石墨烯片所帶來(lái)的問(wèn)題，該方法過(guò)程簡(jiǎn)單，所制得復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)良。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)的，一種原位合成三維石墨烯包覆銅復(fù)合材料的方法，其特征包括以下過(guò)程:
[0008](1)球磨銅粉和聚甲基丙烯酸甲酯:
[0009]將鋼球:銅粉:聚甲基丙烯酸甲酯以按質(zhì)量比150:10:0.1加入球磨罐中，抽真空后充滿氬氣作為保護(hù)性氣氛；經(jīng)過(guò)球磨，制得分散均勻的銅一聚甲基丙烯酸甲酯粉末；
[0010](2)銅一聚甲基丙烯酸甲酯復(fù)合粉末的還原
[0011]將步驟(1)制得的銅一聚甲基丙烯酸甲酯復(fù)合粉末在管式爐中進(jìn)行還原處理；還原溫度設(shè)定在800°c，還原氣氛為氫氣，保護(hù)性氣氛為氬氣；還原時(shí)間為lOmin ;聚甲基丙烯酸甲酯被催化成石墨烯，得到原位生長(zhǎng)的三維石墨烯包覆銅的復(fù)合材料；
[0012]優(yōu)選步驟為:
[0013]步驟1)球磨條件為400-600轉(zhuǎn)/分；球磨2_4h。
[0014]步驟2)氣體流量設(shè)定在100-200ml/min。
[0015]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):首先直接采用球磨的方式，使固體碳源PMMA在銅片表面實(shí)現(xiàn)較為均勻的負(fù)載，保證碳源的來(lái)源。由于銅粉堆積的效果，還原催化過(guò)程中碳原子在銅粉表面生成三維石墨烯，得到原位生長(zhǎng)的三維石墨烯包覆銅的復(fù)合材料。同時(shí)，該法有利于解決石墨烯在銅基體中的分散情況。三維石墨烯原位包覆銅復(fù)合材料的制備方法的成功可以同時(shí)保證石墨烯與銅基體之間的良好界面，同時(shí)能夠保證塊體復(fù)合材料的各向同性性能。原位生長(zhǎng)的三維石墨烯/銅基復(fù)合材料解決了石墨烯在金屬集體中分散的難題，利用球磨法和粉末冶金法原位生長(zhǎng)石墨烯，并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)銅基體材料的強(qiáng)化，對(duì)于高強(qiáng)銅材在電子器件上的應(yīng)用有著較好的前景。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為實(shí)施例1中球磨過(guò)后的掃描照片。
[0017]圖2a為實(shí)施例1中還原后得到的三維石墨烯包覆銅復(fù)合材料的掃描照片。
[0018]圖2b為實(shí)施例1中還原后得到的三維石墨烯包覆銅復(fù)合材料的透射照片。
[0019]圖2c為實(shí)施例1中除去還原后得到的三維石墨烯包覆銅復(fù)合材料的銅基體后三維石墨烯的透射照片。
[0020]圖2d為實(shí)施例1中除去還原后得到的三維石墨烯包覆銅復(fù)合材料的銅基體后三維石墨烯的透射照片，照片中顯示石墨烯的層數(shù)為5-6層左右。
[0021]圖2e為實(shí)施例1中除去還原后得到的三維石墨烯包覆銅復(fù)合材料的銅基體后三維石墨烯的AFM測(cè)試結(jié)果，測(cè)試結(jié)果顯示石墨烯的厚度約為1.28nm，大約為5層左右的石墨稀。
[0022]圖2f為實(shí)施例1中除去還原后得到的三維石墨烯包覆銅復(fù)合材料的銅基體后三維石墨烯的XRD測(cè)試結(jié)果。其中曲線1和2分別代表石墨烯/銅復(fù)合材料和純銅，除去兩條曲線中純銅的特征峰，1圖中11°處的峰為石墨烯的特征峰，證明石墨烯的存在。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，這些實(shí)施例只用于說(shuō)明本發(fā)明，并不限制本發(fā)明。
[0024]實(shí)施例1:將鋼球:銅粉:聚甲基丙烯酸甲酯以按質(zhì)量(g)比150:10:0.1放入到球磨罐中，充入氬氣作為保護(hù)氣氛。在行星式球磨機(jī)中經(jīng)過(guò)低速短時(shí)球磨(400-600轉(zhuǎn)/分，球磨2h)。球磨結(jié)果如圖1所示；球磨后的聚甲基丙烯酸甲酯/銅粉末在管式爐中進(jìn)行還原處理。還原溫度設(shè)定在800°C，還原氣氛為氫氣(氣體流量設(shè)定在100-200ml/min)，保護(hù)性氣氛為氬氣(氣體流量設(shè)定在100-200ml/min)。還原時(shí)間為lOmin。還原后得到的三維石墨烯包覆銅復(fù)合材料的掃描照片如圖2a所示，還原后得到的三維石墨烯包覆銅復(fù)合材料的透射照片如圖2b所示，除去還原后得到的三維石墨烯包覆銅復(fù)合材料的銅基體后三維石墨烯的透射照片如圖2c所示，除去還原后得到的三維石墨烯包覆銅復(fù)合材料的銅基體后三維石墨烯的透射照片如圖2d所示，照片中顯示石墨烯的層數(shù)為5-6層左右；除去還原后得到的三維石墨烯包覆銅復(fù)合材料的銅基體后三維石墨烯的AFM測(cè)試結(jié)果如圖2e所示，測(cè)試結(jié)果顯示石墨烯的厚度約為1.28nm，大約為5層左右的石墨烯；除去還原后得到的三維石墨烯包覆銅復(fù)合材料的銅基體后三維石墨烯的XRD測(cè)試結(jié)果如圖2f所示，其中曲線1和2分別代表石墨烯/銅復(fù)合材料和純銅，除去兩條曲線中純銅的特征峰，1圖中11°處的峰為石墨烯的特征峰，證明石墨烯的存在。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種原位合成三維石墨烯包覆銅復(fù)合材料的方法，其特征包括以下過(guò)程: (1)球磨銅粉和聚甲基丙烯酸甲酯: 將鋼球:銅粉:聚甲基丙烯酸甲酯以按質(zhì)量比150:10:0.1加入球磨罐中，抽真空后充滿氬氣作為保護(hù)性氣氛；經(jīng)過(guò)球磨，制得分散均勻的銅一聚甲基丙烯酸甲酯粉末； (2)銅一聚甲基丙烯酸甲酯復(fù)合粉末的還原 將步驟(1)制得的銅一聚甲基丙烯酸甲酯復(fù)合粉末在管式爐中進(jìn)行還原處理；還原溫度設(shè)定在800°C，還原氣氛為氫氣，保護(hù)性氣氛為氬氣；還原時(shí)間為lOmin ;聚甲基丙烯酸甲酯被催化成石墨烯，得到原位生長(zhǎng)的三維石墨烯包覆銅的復(fù)合材料。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的步驟1)球磨條件為400-600轉(zhuǎn)/分；球磨 2-4ho3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是步驟2)氣體流量為100-200ml/min。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種三維石墨烯原位包覆銅復(fù)合材料的制備方法。將鋼球：銅粉：聚甲基丙烯酸甲酯以按質(zhì)量比150：10:0.1加入球磨罐中，抽真空后充滿氬氣；經(jīng)球磨制得銅/聚甲基丙烯酸甲酯粉末；將制得的銅/聚甲基丙烯酸甲酯粉末在管式爐中還原；還原溫度設(shè)為800℃，還原氣氛為氫氣，保護(hù)性氣氛為氬氣；還原時(shí)間為10min；聚甲基丙烯酸甲酯被催化成石墨烯，由于銅粉堆積的效果，得到原位生長(zhǎng)的三維石墨烯包覆銅的復(fù)合材料。由于二維石墨烯的平面結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的各向異性，在力學(xué)性能上不能保證各向同性的性能。原位生長(zhǎng)的三維石墨烯包覆銅的復(fù)合材料，可保證塊體復(fù)合材料的各向同性性能。
【IPC分類】B22F1/02
【公開(kāi)號(hào)】CN105364068
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510679161
【發(fā)明人】趙乃勤, 陳亞坤, 何春年, 師春生, 劉恩佐
【申請(qǐng)人】天津大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年3月2日
【申請(qǐng)日】2015年10月19日