[发明专利]一种纳米尺度石墨增强铜基复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种纳米尺度石墨增强铜基复合材料及其制备方法。以该石墨铜复合材料的总量计，其包括以下成分：质量分数为1‑10％的C元素，其余为Cu元素，Cu、C元素的原子百分数之和为100％。本发明利用剧烈塑性变形方法，如叠轧、集束拉拔等手段将石墨‑铜复合体中的石墨相细化至微纳米尺度。在合适的工艺条件下，利用该方法甚至可将部分石墨进一步细化为少层石墨烯，乃至于石墨烯，为石墨烯‑铜基高强度高导电材料的研制提供新思路。

技术领域

本发明涉及一种纳米石墨增强铜基复合材料及其制备方法，尤其涉及一种以纳米尺度石墨为增强相，以铜为基体的高强度高导电复合材料及其制备方法，属于金属复合材料制备技术领域。

背景技术

高强高导电铜材料是一类有优良综合物理性能和力学性能的结构功能材料，广泛应用于交通、电力、电子、机械等工业领域。近年来，将碳纳米管、石墨烯、少层石墨烯弥散复合于铜中制备高强高导电铜复合材料，利用石墨烯优良的导电性和力学性能，改善铜基体的力、电学性能，得到广泛研究关注。

然而，直接将石墨烯添加到金属基体中会严重团聚。虽然新兴的一种分子级混合法，将氧化石墨烯溶解于乙酸铜溶液中，利用含铜官能团与氧化石墨烯结合，将溶液干燥并氢还原后，可获得分子级均匀混合的铜与石墨烯的混合物。但其缺点是难以确保氢还原彻底，可能有氧化石墨烯残留。同时，石墨烯的氧化可能导致石墨烯结构遭到破坏，弱化其本征性能。

因此，改进纳米石墨的添加方法，避免其团聚，并减少杂质残留，避免纳米石墨增强相结构遭到破坏，获得纳米石墨分布均匀，无杂质引入的高强石墨增强铜基复合材料仍是本领域目前亟待解决的问题之一。

发明内容

基于上述现有技术中的不足，本发明拟提出一种纳米尺度石墨增强铜基复合材料，技术方案为：

一种纳米尺度石墨增强铜基复合材料，制备方法为：先通过外加法在纯铜基体中复合低于100μm的石墨颗粒，再采用剧烈塑性变形加工细化内部石墨相，使石墨相其细化至低于100nm；所述复合材料以原子总量计：C元素的质量分数为1-10％，其余为Cu元素，所述复合材料的形态为块材，板材或丝材中的一种。

所述制备方法具体为：

(1)按成分配比选取纯度在99wt.％以上的单质Cu粉和纯度在99wt.％以上的石墨粉，粉末颗粒尺寸低于100μm；

(2)采用球磨的方式将Cu粉末和石墨粉末进行充分混合控制球料比为2:1，球磨时间4小时；

(3)将步骤2得到的混合粉末进行真空包套处理：将粉末倒入直径40mm，厚度50mm的紫铜皮包筒内，焊上盖子，在盖子上留有抽气铜管，利用机械泵，对包套内部抽真空，抽真空过程将包套温度保温在300-400℃，真空度处于10^-3Pa时夹断抽气管，并封焊处理，获得由铜皮包裹混合粉末的块体；

再进行粉末冶金处理，采用热等静压处理，烧结温度为800-900℃，压力在100MPa左右，烧结时间约1h，使混合粉末致密结合，得到石墨-铜复合材料坯料；

(4)将步骤3中得到的石墨-铜复合材料坯料进行剧烈塑性变形加工，步骤为：

先将复合坯料进行初步的常规轧制，中间退火温度为400-800℃，初步轧制使坯料厚度由50mm降低至0.5mm，厚度降低了100倍，成为石墨-铜复合板材，再将其切割成长度相同的100片，进行表面打磨并酸洗，再将这100片复合板材叠放在一起，通过热压使其紧密结合，热压温度600-800℃，也可热压后再用紫铜包套，厚度又变成50mm，再进行叠轧，轧制至厚度0.5mm，此时厚度在之前基础上又降低100倍，石墨相细化至厚度100nm以下，重复上述操作，使得石墨厚度达到所需尺寸。

所述纳米尺度石墨增强铜基复合材料的制备方法：步骤(2)将石墨粉与铜粉混合均匀的方法，为球磨、常规混料混合或雾化混合中的一种。