一种石墨烯改性的铜基复合材料制备方法 专利技术说明

金属材料;冶金;铸造;磨削;抛光设备的制造及处理,应用技术1.本发明属于高强高导用铜基复合材料技术领域，具体涉及一种石墨烯改性的铜基复合材料制备方法，本发明制备的铜基复合材料主要用于电阻焊电极、大功率微波管、集成电路引线框架等方面的材料。背景技术：2.铜及铜合金具有易加工、电性能与热性能优异等诸多优点，广泛应用于电子电器和航空航天领域，特别在电阻焊电极、集成电路引线框架、电真空器件、大功率微波管等电子信息产业大规模应用。尽管如此，由于其在力学性能、高温性能等方面的不足已不能满足当今工况的发展需求，为了获得高性能的铜合金，在铜基中引入第二相来制备铜基复合材料，如引入碳化物(sic)和氧化物(y2o3、ai203、hfo2等)作为增强相能够显著提高铜合金的力学性能，但也限制了其导电性能。技术实现要素：3.针对背景技术提出的问题，本发明研究设计了一种石墨烯改性的铜基复合材料制备方法，其目的在于：提供一种不仅能够显著提高材料力学性能同时材料具有优异导电性能，满足使用要求的石墨烯改性的铜基复合材料制备方法。4.本发明的技术解决方案：5.一种石墨烯改性的铜基复合材料制备方法，具体包括如下步骤：6.步骤一、分子共混沉积7.(1)将石墨烯粉末溶解在溶有十二烷基苯磺酸钠的石墨烯水分散剂中，超声分散45-60min；8.(2)将硝酸铜溶液加入上述溶液中继续超声分散2h获得悬浮液；9.(3)将步骤(2)获得的悬浮液干燥，得到负载铜石墨烯复合粉末；10.步骤二、热还原11.将步骤一中得到的负载铜石墨烯复合粉末置于高温管式炉中，在氢气气氛下热还原得到cu-gr复合粉末；12.步骤三、固相反应球磨13.将步骤二制得的cu-gr复合粉末与y2o3粉末置于球磨罐中，将球磨罐在真空手套箱氩气的气氛下完成装配，装配完成后，再将球磨罐置于行星式球磨机中球磨，球磨转速为300-350r/min，球磨时间为10-12小时，球磨完成后取出研磨，最终得到分散的cu-y2o3-gr复合粉末；14.步骤四、真空热压烧结15.(1)将步骤三得到的cu-y2o3-gr复合粉末装入组装好的石墨模具中，再将模具置于托盘上放入真空热压烧结炉中，插入测温热电偶，对准红外测温仪，启动抽真空程序；16.(2)设定烧结温度与压力工艺曲线，先升温至600℃并保温5min，再升温至900℃并保温5min，保温结束后降至室温，即得到cu-y2o3-gr复合材料。17.所述步骤一中石墨烯粉末纯度为99％，厚度为3-10nm，直径为7-12μm,购于碳稀科技(深圳)有限公司，其中添加石墨烯粉末的质量分数≤1％。18.所述步骤一中十二烷基苯磺酸钠纯度不低于90％，购于国药集团化学试剂有限公司。19.所述步骤一中硝酸铜和石墨烯水分散剂纯度均为100％，硝酸铜溶液浓度为3mol/l,添加石墨烯水分散剂的体积与硝酸铜溶液的添加体积相等，石墨烯水分散剂购于成都佳材科技有限公司。20.所述步骤二中热还原处理的高温管式炉型号为gsl-1200x，热还原具体过程为温度升至550℃-600℃保温2小时，再降至500℃后随炉冷却，热还原过程中升温速率为10℃/min，降温速率为10℃/min。21.所述步骤三中在真空手套箱中完成球磨罐的装配保证纯净的球磨环境，真空手套箱型号为zkx，行星式球磨机为qm-qx4全方位行星式球磨机，球磨过程是在氩气气氛保护下进行的，球罐和球磨介质均由硬质合金制成，球磨转速为300-350r/min，球磨时间为10-12小时，球料比为5：1。22.所述步骤三中y2o3粉末纯度为99.99％，粒径为0.5μm,购于上海易恩化学技术有限公司。23.所述步骤四中真空热压烧结的烧结炉型号为fhp-828，预压压强为10mpa，烧结温度为900℃，烧结时长为5min，终压压强为50mpa，其中在600℃保温5min是为了排除含有的气体。24.所述步骤四中真空热压烧结的升温速率为100℃/min，降温速率为100℃/min。25.所述步骤四中石墨模具直径为30mm。26.本发明的有益效果：区别于传统铜基复合材料提高力学性能而牺牲导电导热性能为代价的做法，本发明通过分子共混沉积法获得分散性良好的石墨烯铜基复合材料。石墨烯理想的二维平面结构和优异的比表面积使其具有非常高的吸附容量，同时十二烷基苯磺酸钠作为阴离子表面活性剂，具有导电作用，使石墨烯与铜离子之间具有离子π作用，石墨烯吸附大量铜离子形成负载铜石墨烯复合物，显著提高了石墨烯在铜基体中的均匀分散性，获得优异的导电性能；并使用固相反应球磨法将氧化物颗粒添加到铜基体中，达到弥散强化的效果，在这过程中基体合金化提高了石墨烯与铜的界面结合，显著提高了材料的力学性能；真空热压烧结技术具有烧结速度快、加工效率高、样品致密化程度高等优势，且加热、加压的同时作用有利于粉体颗粒的接触扩散，热压过程中良好的真空度能够降低烧结温度，抑制晶体长大，并去除气孔中的气体，提高材料的致密化程度，得到了晶粒结构更加均匀、密度更高的超细甚至纳米结构的铜基合金。总的来说，采用本发明的成分设计和制备工艺，实现了铜基材料高强和高导的优异综合性能。附图说明27.图1为2000倍下cu-1wt.％y2o3-0.3wt.％gr复合材料块体sem形貌图。28.图2为3000倍下cu-1wt.％y2o3-0.3wt.％gr复合材料拉伸断口形貌图。29.图3为1000倍下cu-1wt.％y2o3-0.3wt.％gr复合材料金相组织图。具体实施方式30.以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。31.实施例132.本实施例中的cu-y2o3-gr复合材料，是由一种分子共混沉积、热还原、固相反应球磨和真空热压烧结加工制成，其中y2o3的质量分数为1％，gr的质量分数为0.1％。33.本实施例中的cu-y2o3-gr复合材料的制备方法如下：34.步骤一、分子共混沉积：首先将纯度为99％的石墨烯粉末0.02g溶解在溶有十二烷基苯磺酸钠的石墨烯水分散剂中，石墨烯水分散剂的体积为103ml，十二烷基苯磺酸钠加入量为0.5g，超声分散45min；将103ml浓度为3mol/l硝酸铜溶液加入上面溶液中继续超声分散2h获得悬浮液，将获得的悬浮液干燥得到前驱体，并将获得的前驱体在研钵中充分研磨，得到负载铜石墨烯复合粉末；35.步骤二、热还原：将上述得到的负载铜石墨烯复合粉末置于高温管式炉中，在氢气气氛下热还原得到cu-gr复合粉末；热还原温度升至600℃保温2小时，再降至500℃后随炉冷却，其中升温速率为10℃/min，降温速率为10℃/min；36.步骤三、固相反应球磨:将步骤二制得的cu-gr复合粉末与y2o3粉末置于球磨罐中，y2o3的质量分数为1％，将球磨罐在真空手套箱氩气的气氛下完成装配，并保证球磨过程是在氩气气氛保护下进行的，球磨罐和球磨介质均由硬质合金制成，装配完成后，再将球磨罐置于行星式球磨机中球磨，球磨转速为300r/min，球磨时间为10小时，球磨完成后取出研磨，最终得到分散的cu-y2o3-gr复合粉末20g；37.步骤四、真空热压烧结：将步骤三得到的cu-y2o3-gr复合粉末装入组装好的石墨模具中，再将模具置于托盘上放入真空热压烧结炉中，插入测温热电偶，对准红外测温仪，启动抽真空程序；设定烧结温度与压力工艺曲线，先升温至600℃并保温5min，再升温至900℃并保温5min，保温结束后降至室温，即得到cu-y2o3-gr复合材料。38.实施例239.本实施例中的cu-y2o3-gr复合材料，是由一种分子共混沉积、热还原、固相反应球磨和真空热压烧结加工制成，其中y2o3的质量分数为1％，gr的质量分数为0.3％。40.本实施例中的cu-y2o3-gr复合材料的制备方法如下：41.步骤一、分子共混沉积：首先将纯度为99％的石墨烯粉末0.06g溶解在溶有十二烷基苯磺酸钠的石墨烯水分散剂中，石墨烯水分散剂的体积为102.8ml，十二烷基苯磺酸钠加入量为0.5g，超声分散55min；将102.8ml浓度为3mol/l硝酸铜溶液加入上面溶液中继续超声分散2h获得悬浮液，将获得的悬浮液干燥得到前驱体，并将获得的前驱体在研钵中充分研磨，得到负载铜石墨烯复合粉末；42.步骤二、热还原：将上述得到的负载铜石墨烯复合粉末置于高温管式炉中，在氢气气氛下热还原得到cu-gr复合粉末，热还原温度升至600℃保温2小时，再降至500℃后随炉冷却，其中升温速率为10℃/min，降温速率为10℃/min；43.步骤三、固相反应球磨:将步骤二制得的cu-gr复合粉末与y2o3粉末置于球磨罐中，y2o3的质量分数为1％，将球磨罐在真空手套箱氩气的气氛下完成装配，并保证球磨过程是在氩气气氛保护下进行的，球磨罐和球磨介质均由硬质合金制成，装配完成后，再将球磨罐置于行星式球磨机中球磨，球磨转速为325r/min，球磨时间为11小时，球磨完成后取出研磨，最终得到分散的cu-y2o3-gr复合粉末20g；44.步骤四、真空热压烧结：将步骤三得到的cu-y2o3-gr复合粉末装入组装好的石墨模具中，再将模具置于托盘上放入真空热压烧结炉中，插入测温热电偶，对准红外测温仪，启动抽真空程序；设定烧结温度与压力工艺曲线，先升温至600℃并保温5min，再升温至900℃并保温5min，保温结束后降至室温，即得到cu-y2o3-gr复合材料。45.实施例346.本实施例中的cu-y2o3-gr复合材料，是由一种分子共混沉积、热还原、固相反应球磨和真空热压烧结加工制成，其中y2o3的质量分数为1％，gr的质量分数为0.5％。47.本实施例中的cu-y2o3-gr复合材料的制备方法如下：48.步骤一、分子共混沉积：首先将纯度为99％的石墨烯粉末0.1g溶解在溶有十二烷基苯磺酸钠的石墨烯水分散剂中，石墨烯水分散剂的体积为102.6ml，十二烷基苯磺酸钠加入量为0.5g，超声分散60min；将102.6ml浓度为3mol/l硝酸铜溶液加入上面溶液中继续超声分散2h获得悬浮液，将获得的悬浮液干燥得到前驱体，再将获得的前驱体在研钵中充分研磨，得到负载铜石墨烯复合粉末；49.步骤二、热还原：将上述得到的负载铜石墨烯复合粉末置于高温管式炉中，在氢气气氛下热还原得到cu-gr复合粉末；热还原温度升至600℃保温2小时，再降至500℃后随炉冷却，其中升温速率为10℃/min，降温速率为10℃/min；50.步骤三、固相反应球磨:将步骤二制得的cu-gr复合粉末与y2o3粉末置于球磨罐中，y2o3的质量分数为1％，将球磨罐在真空手套箱氩气的气氛下完成装配，并保证球磨过程是在氩气气氛保护下进行的，球磨罐和球磨介质均由硬质合金制成，装配完成后，再将球磨罐置于行星式球磨机中球磨，球磨转速为350r/min，球磨时间为12小时，球磨完成后取出研磨，最终得到分散的cu-y2o3-gr复合粉末20g；51.步骤四、真空热压烧结：将步骤三得到的cu-y2o3-gr复合粉末装入组装好的石墨模具中，再将模具置于托盘上放入真空热压烧结炉中，插入测温热电偶，对准红外测温仪，启动抽真空程序；设定烧结温度与压力工艺曲线，先升温至600℃并保温5min，再升温至900℃并保温5min，保温结束后降至室温，即得到cu-y2o3-gr复合材料。52.对实施例1～3中制得的cu-y2o3-gr复合材料进行性能测试，测试结果如表1所示：53.表1实施例1～3中cu-y2o3-gr复合材料电导率和维氏硬度性能测试结果54.材料电导率(％iacs)硬度(hv0.1)cu-1wt.％y2o385.6％125.6cu-1wt.％y2o3-0.1wt.％gr92.5％117.3cu-1wt.％y2o3-0.3wt.％gr95.6％120.8cu-1wt.％y2o3-0.5wt.％gr91.8％105.255.由图1中可以看出，cu-1wt.％y2o3-0.3wt.％gr复合材料中石墨烯主要分布在铜基体晶界处。56.由图2中可以看出，cu-1wt.％y2o3-0.3wt.％gr复合材料在拉伸下发生韧性断裂，gr的加入提升了异质形核的空间，且石墨烯的晶粒细化作用使得因位错塞积而生成的应力降低，产生韧窝或撕裂棱，所以断裂表面主要呈韧窝形貌，可以观察到韧窝内部有片状的石墨烯。57.由图3中可以看出，cu-1wt.％y2o3-0.3wt.％gr复合材料中的石墨烯均匀弥散分布在铜基体晶界上，石墨烯对位错和晶界运动产生钉扎作用，晶粒明显细化，成分更均匀，有效改善了铜合金复合材料的微观组织，提升了铜合金复合材料的力学性能。58.由表1可以看出，与传统的氧化物通过弥散强化制备铜基复合材料相比，经过gr改性的cu-y2o3实现了高强和高导的优异综合性能，cu-y2o3-gr复合材料电导率高达95.6％，维氏硬度高达120.8hv0.1。









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