本發(fā)明涉及石墨烯復(fù)合材料的制備領(lǐng)域，尤其是涉及一種用于增強銅基材料的石墨烯母料及制備方法和應(yīng)用方法。
背景技術(shù)：
：石墨烯，最薄的二維材料，單層的厚度僅0.335nm。從20世紀初，科學(xué)家們就對其進行了研究。直到2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)專家安德烈?海姆和康斯坦丁?諾沃肖洛夫利用透明膠帶粘接技術(shù)制備了單層石墨烯，但當時并沒有引起轟動；2005年，同樣曼徹斯特大學(xué)團隊與哥倫比亞大學(xué)的研究者證實石墨烯的準粒子（quasiparticle）是無質(zhì)量迪拉克費米子（diracfermion），從而引發(fā)了石墨烯的研究熱潮。石墨烯是由碳原子構(gòu)成的二維新材料，碳原子采用sp2雜化形成了具有蜂巢狀的二維晶格結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，碳-碳鍵鍵長只有1.42埃，單層石墨烯只有0.335nm是一種近乎完美的二維晶體結(jié)構(gòu)，石墨烯被認為是平面多環(huán)芳香烴原子晶體。石墨烯內(nèi)部原子的鏈接很柔韌，當對石墨施加外力作用時，二維平面就會自由變形，碳原子重排形成波浪型，從而保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。石墨烯是典型的零帶隙的半導(dǎo)體，通過sp2雜化形成平面六元環(huán)結(jié)構(gòu)，π電子在同一平面上形成離域大π鍵。這種獨特的結(jié)構(gòu)使石墨烯具有獨一無二的性質(zhì)，作為世界上最薄的納米材料，石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，導(dǎo)熱系數(shù)達到5300w/m.k，比金剛石和碳納米管更高，室溫下電子遷移率達到光速的1/300，電阻率只有10-6ω.cm，比銅和銀電阻率更低，是世界上電阻率最小的材料，卻有超高的力學(xué)性能，達到1060gpa，被證明為當代最牢固的材料，比最好的鋼都要堅硬100倍，可以用來制備超強力膜并具有制備“太空電梯”的潛力。石墨烯以其精妙的結(jié)構(gòu)，無以倫比的性能，使之在應(yīng)用方面具有光明的前景。如利用其超高的電子遷移率應(yīng)用于電子芯片、晶體管，超高的透光率應(yīng)用于透明電極，罕有的導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)用于界面導(dǎo)熱材料，其超高的比表面積應(yīng)用于超級電容器，石墨烯表面能夠容許缺陷從而利用此性質(zhì)應(yīng)用于海水淡化，石墨烯在太陽能電池、生物器件、抗菌材料等方面也有非常廣泛的應(yīng)用前景。高導(dǎo)高強的復(fù)合材料便是其中重要的一項，其中，銅基復(fù)合材料有著良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性和加工性能，在電子產(chǎn)品、航空航天以及汽車領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著各個領(lǐng)域的快速發(fā)展，對銅基復(fù)合材料的要求越來越高，傳統(tǒng)的纖維和顆粒增強體雖然可以提高材料的力學(xué)性能，但往往使其導(dǎo)電導(dǎo)熱性能降低，因此，研發(fā)具有優(yōu)良導(dǎo)電導(dǎo)熱性能同時還具有高強度的銅基復(fù)合材料成為目前亟待解決的問題。傳統(tǒng)的高強度銅基復(fù)合材料導(dǎo)電導(dǎo)熱性會有所降低。為此石墨烯因其良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性和強度，是理想的銅基增強體。充分發(fā)揮石墨烯的優(yōu)勢，制備出高性能的銅基復(fù)合材料越來越重要。已有報道，目前通過石墨烯增強銅基材料主要采用熔融或者研磨將石墨烯強制分散于銅基體中。但限于分散難度大、能耗高，工藝復(fù)雜，難以大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。技術(shù)實現(xiàn)要素：鑒于以上缺陷，本發(fā)明提出一種用于增強銅基材料的石墨烯母料，其特征是一種含有金屬錫的微細絲狀石墨烯；并提供該絲狀石墨烯的制備方法，將石墨烯與少量的錫熔化混均，然后通過反復(fù)噴射拉絲將石墨烯均勻分散于錫中，然后通過拉絲機進行逐級拉絲，形成高石墨烯濃度的微細絲狀石墨烯母料；進一步提供絲狀石墨烯母料的應(yīng)用方法，使用時直接與線狀的銅絲旋轉(zhuǎn)纏繞,將絲狀石墨烯母料與銅絲纏繞在一起,從而大幅提升銅絲的強度、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性。顯著的優(yōu)勢是克服了石墨烯直接在銅中熔化分散難度大、能耗高，工藝復(fù)雜等缺陷，適宜于推動規(guī)?；a(chǎn)，從而促進石墨烯在增強復(fù)合材料中的應(yīng)用。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案如下：一種用于增強銅基材料的石墨烯母料，其特征是一種含有金屬錫的絲狀石墨烯，其線徑為0.05-0.1mm的圓形。一種用于增強銅基材料的石墨烯母料的制備方法，其特征在于首先石墨烯與少量的錫熔化混均通過噴絲拉伸，將石墨烯均勻分散于金屬錫，然后通過拉絲機進行逐級拉絲，形成高石墨烯濃度的微細絲狀石墨烯母料，具體步驟如下：（1）石墨烯與錫的分散：將錫在高溫爐中加熱至熔融，并去除雜質(zhì)，然后將石墨烯按比例加入高溫爐中，在氮氣氛圍中，正向攪拌一定時間，再反向攪拌一定時間，反復(fù)攪拌四次后，逐漸降低攪拌速度，直至停止，并靜置一定時間后，移入噴絲裝置，通過噴絲裝置向上設(shè)置的噴嘴噴射形成絲狀的噴射流；如此反復(fù)以絲狀噴射3-4次，通過噴射拉絲將石墨烯均勻分散于金屬錫中；（2）擠壓成型：將步驟（1）得到的石墨烯與金屬錫的分散體擠壓成型，設(shè)置模溫的為180~190℃，通過擠壓形成線徑為10±1mm的圓柱形石墨烯復(fù)合錫絲；（3）石墨烯與錫的拉絲：將步驟（3）得到的圓柱形石墨烯復(fù)合錫絲經(jīng)過于三臺拉絲機，大拉、二拉、三拉，每經(jīng)過一臺拉絲機后，使用熔融松香進行涂敷，較佳的保證了拉絲的均勻性、致密性和圓滑性，從而得到線徑在0.05-0.1mm的復(fù)合細絲，即一種用于增強銅基材料的石墨烯母料。優(yōu)選的，步驟（1）所述石墨烯與錫的質(zhì)量比為1:2-4。優(yōu)選的，步驟（1）所述一次正向及反向攪拌時間為10~20min。優(yōu)選的，步驟（1）所述噴射裝置的噴嘴口徑為0.5-1mm，噴射壓力為1-3mpa。優(yōu)選的，步驟（1）所述靜置時間為20~30min，較佳的消除氣泡。優(yōu)選的，步驟（3）所述大拉、二拉、三拉得到的細絲線徑分別為1-2mm、0.5-1mm、0.05-0.1mm。本發(fā)明通過噴絲拉絲將石墨烯均勻分散于金屬錫，進一步經(jīng)過拉絲機逐級拉伸，形成均勻、致密、圓滑的微細絲，即一種用于增強銅基材料的石墨烯母料。將該微細絲作為母料，石墨烯在其中高度分散，用于增強銅絲具有顯著的優(yōu)勢，其表現(xiàn)在與銅絲具有良好的纏繞性、相容性。進一步，本發(fā)明提供的石墨烯母料，在用于增強銅基材料時，具體的使用方法為：經(jīng)過螺旋牽引，將微細絲狀的石墨烯母料拉伸與銅絲纏繞在一起，形成具有一定螺距的螺旋繞絲，然后改變牽引方向，使其以反方向螺旋纏繞銅絲，然后在氫氣氛圍下，在一定溫度、壓力下，使石墨烯與錫的復(fù)合細絲與銅絲進行半熱熔熱合，以增強兩者的界面結(jié)合強度，從而得到石墨烯增強的銅基材料。優(yōu)選的，所述螺旋繞絲的螺距為2~3mm。優(yōu)選的，所述石墨烯與錫的復(fù)合細絲與銅絲的熱合溫度為80~90℃；所述石墨烯與錫的復(fù)合細絲與銅絲的熱合壓力為0.2~0.4mpa。本發(fā)明提供了一種用于增強銅基材料的石墨烯母料及制備方法和應(yīng)用，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其突出的特點和優(yōu)異的效果在于：1、本發(fā)明提供了一種微細絲狀的石墨烯母料，通過纏繞實現(xiàn)了對銅絲的增強。提供了一種新型的石墨烯增強統(tǒng)銅基材料的技術(shù)手段。2、本發(fā)明通過石墨烯與錫熔化混均后進行反復(fù)噴絲拉伸，實現(xiàn)石墨烯均勻分散于金屬錫中。3、本發(fā)明通過三級拉絲，制備了均勻、致密、圓滑的微細絲，即一種用于增強銅基材料的石墨烯母料。該母料在使用時可以進一步拉伸并與銅絲纏繞，可充分發(fā)揮石墨烯本身的優(yōu)越性能，極大地提升銅絲的力學(xué)性能和導(dǎo)電導(dǎo)熱性能。4、本發(fā)明工藝過程簡單，成本低，能耗低，易于推動規(guī)?；a(chǎn)。具體實施方式以下通過具體實施方式對本發(fā)明作進一步的詳細說明，但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明的范圍僅限于以下的實例。在不脫離本發(fā)明上述方法思想的情況下，根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知識和慣用手段做出的各種替換或變更，均應(yīng)包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。實施例1一種用于增強銅基材料的石墨烯母料的制備方法和應(yīng)用方法，具體如下：（1）石墨烯與錫的分散：將2kg錫在高溫爐中加熱至熔融，并去除雜質(zhì)，然后將1kg石墨烯加入高溫爐中，在氮氣氛圍中，正向攪拌一定時間，再反向攪拌一定時間，反復(fù)攪拌四次后，逐漸降低攪拌速度，直至停止，并靜置20min，移入噴絲裝置，通過噴絲裝置向上設(shè)置的噴嘴噴射形成絲狀的噴射流；噴射壓力為1mpa，如此反復(fù)以絲狀噴射3次，通過噴射拉絲將石墨烯均勻分散于金屬錫中；（2）擠壓成型：將步驟（1）得到的石墨烯與金屬錫的分散體擠壓成型，設(shè)置模溫的為180~190℃，通過擠壓形成線徑為10±1mm的圓柱形石墨烯復(fù)合錫絲；（3）石墨烯與錫的拉絲：將步驟（3）得到的圓柱形石墨烯復(fù)合錫絲經(jīng)過于三臺拉絲機，大拉、二拉、三拉，每經(jīng)過一臺拉絲機后，使用熔融松香進行涂敷，較佳的保證了拉絲的均勻性、致密性和圓滑性，大拉、二拉、三拉得到的細絲線徑分別為1-2mm、0.5-1mm、0.05-0.1mm，從而得到線徑在0.05-0.1mm的復(fù)合細絲，即一種用于增強銅基材料的石墨烯母料。在用于增強銅基材料時，具體的使用方法為：經(jīng)過螺旋牽引，將微細絲狀的石墨烯母料進一步拉伸與銅絲纏繞在一起，形成具有螺旋繞絲的螺距為3mm，然后改變牽引方向，使其以反方向螺旋纏繞銅絲，然后在氫氣氛圍下，在80~90℃、0.2~0.4mpa壓力下，使石墨烯與錫的復(fù)合細絲與銅絲進行半熱熔熱合，以增強兩者的界面結(jié)合強度，從而得到石墨烯增強的銅基材料。通過對增強銅絲的測試，銅絲的拉伸強度、斷裂伸長率顯著提高，電阻率降低明顯。較佳的顯現(xiàn)了本發(fā)明微細絲狀石墨烯母料改性銅絲的顯著優(yōu)勢。具體測試性能見表1。實施例2一種用于增強銅基材料的石墨烯母料的制備方法和應(yīng)用方法，具體如下：（1）石墨烯與錫的分散：將2kg錫在高溫爐中加熱至熔融，并去除雜質(zhì)，然后將1kg石墨烯加入高溫爐中，在氮氣氛圍中，正向攪拌一定時間，再反向攪拌一定時間，反復(fù)攪拌四次后，逐漸降低攪拌速度，直至停止，并靜置20min，移入噴絲裝置，通過噴絲裝置向上設(shè)置的噴嘴噴射形成絲狀的噴射流；噴射壓力為1mpa，如此反復(fù)以絲狀噴射3次，通過噴射拉絲將石墨烯均勻分散于金屬錫中；（2）擠壓成型：將步驟（1）得到的石墨烯與金屬錫的分散體擠壓成型，設(shè)置模溫的為180~190℃，通過擠壓形成線徑為10±1mm的圓柱形石墨烯復(fù)合錫絲；（3）石墨烯與錫的拉絲：將步驟（3）得到的圓柱形石墨烯復(fù)合錫絲經(jīng)過于三臺拉絲機，大拉、二拉、三拉，每經(jīng)過一臺拉絲機后，使用熔融松香進行涂敷，較佳的保證了拉絲的均勻性、致密性和圓滑性，大拉、二拉、三拉得到的細絲線徑分別為1-2mm、0.5-1mm、0.05-0.1mm，從而得到線徑在0.05-0.1mm的復(fù)合細絲，即一種用于增強銅基材料的石墨烯母料。在用于增強銅基材料時，具體的使用方法為：經(jīng)過螺旋牽引，將微細絲狀的石墨烯母料進一步拉伸與銅絲纏繞在一起，形成具有螺旋繞絲的螺距為2mm，然后改變牽引方向，使其以反方向螺旋纏繞銅絲，然后在氫氣氛圍下，在一80~90℃、0.2~0.4mpa壓力下，使石墨烯與錫的復(fù)合細絲與銅絲進行半熱熔熱合，以增強兩者的界面結(jié)合強度，從而得到石墨烯增強的銅基材料。通過對增強銅絲的測試，銅絲的拉伸強度、斷裂伸長率顯著提高，電阻率降低明顯。較佳的顯現(xiàn)了本發(fā)明微細絲狀石墨烯母料改性銅絲的顯著優(yōu)勢。具體測試性能見表1。實施例3一種用于增強銅基材料的石墨烯母料的制備方法和應(yīng)用方法，具體如下：（1）石墨烯與錫的分散：將3kg錫在高溫爐中加熱至熔融，并去除雜質(zhì)，然后將1kg石墨烯加入高溫爐中，在氮氣氛圍中，正向攪拌一定時間，再反向攪拌一定時間，反復(fù)攪拌四次后，逐漸降低攪拌速度，直至停止，并靜置30min，移入噴絲裝置，通過噴絲裝置向上設(shè)置的噴嘴噴射形成絲狀的噴射流；噴射壓力為2mpa，如此反復(fù)以絲狀噴射4次，通過噴射拉絲將石墨烯均勻分散于金屬錫中；（2）擠壓成型：將步驟（1）得到的石墨烯與金屬錫的分散體擠壓成型，設(shè)置模溫的為180~190℃，通過擠壓形成線徑為10±1mm的圓柱形石墨烯復(fù)合錫絲；（3）石墨烯與錫的拉絲：將步驟（3）得到的圓柱形石墨烯復(fù)合錫絲經(jīng)過于三臺拉絲機，大拉、二拉、三拉，每經(jīng)過一臺拉絲機后，使用熔融松香進行涂敷，較佳的保證了拉絲的均勻性、致密性和圓滑性，大拉、二拉、三拉得到的細絲線徑分別為1-2mm、0.5-1mm、0.05-0.1mm，從而得到線徑在0.05-0.1mm的復(fù)合細絲，即一種用于增強銅基材料的石墨烯母料。在用于增強銅基材料時，具體的使用方法為：經(jīng)過螺旋牽引，將微細絲狀的石墨烯母料進一步拉伸與銅絲纏繞在一起，形成具有螺旋繞絲的螺距為3mm，然后改變牽引方向，使其以反方向螺旋纏繞銅絲，然后在氫氣氛圍下，在80~90℃、0.2~0.4mpa壓力下，使石墨烯與錫的復(fù)合細絲與銅絲進行半熱熔熱合，以增強兩者的界面結(jié)合強度，從而得到石墨烯增強的銅基材料。通過對增強銅絲的測試，銅絲的拉伸強度、斷裂伸長率顯著提高，電阻率降低明顯。較佳的顯現(xiàn)了本發(fā)明微細絲狀石墨烯母料改性銅絲的顯著優(yōu)勢。具體測試性能見表1。實施例4一種用于增強銅基材料的石墨烯母料的制備方法和應(yīng)用方法，具體如下：（1）石墨烯與錫的分散：將2kg錫在高溫爐中加熱至熔融，并去除雜質(zhì)，然后將1kg石墨烯加入高溫爐中，在氮氣氛圍中，正向攪拌一定時間，再反向攪拌一定時間，反復(fù)攪拌四次后，逐漸降低攪拌速度，直至停止，并靜置20min，移入噴絲裝置，通過噴絲裝置向上設(shè)置的噴嘴噴射形成絲狀的噴射流；噴射壓力為3mpa，如此反復(fù)以絲狀噴射4次，通過噴射拉絲將石墨烯均勻分散于金屬錫中；（2）擠壓成型：將步驟（1）得到的石墨烯與金屬錫的分散體擠壓成型，設(shè)置模溫的為180~190℃，通過擠壓形成線徑為10±1mm的圓柱形石墨烯復(fù)合錫絲；（3）石墨烯與錫的拉絲：將步驟（3）得到的圓柱形石墨烯復(fù)合錫絲經(jīng)過于三臺拉絲機，大拉、二拉、三拉，每經(jīng)過一臺拉絲機后，使用熔融松香進行涂敷，較佳的保證了拉絲的均勻性、致密性和圓滑性，大拉、二拉、三拉得到的細絲線徑分別為1-2mm、0.5-1mm、0.05-0.1mm，從而得到線徑在0.05-0.1mm的復(fù)合細絲，即一種用于增強銅基材料的石墨烯母料。在用于增強銅基材料時，具體的使用方法為：經(jīng)過螺旋牽引，將微細絲狀的石墨烯母料進一步拉伸與銅絲纏繞在一起，形成具有螺旋繞絲的螺距為2mm，然后改變牽引方向，使其以反方向螺旋纏繞銅絲，然后在氫氣氛圍下，在80~90℃、0.2~0.4mpa壓力下，使石墨烯與錫的復(fù)合細絲與銅絲進行半熱熔熱合，以增強兩者的界面結(jié)合強度，從而得到石墨烯增強的銅基材料。通過對增強銅絲的測試，銅絲的拉伸強度、斷裂伸長率顯著提高，電阻率降低明顯。較佳的顯現(xiàn)了本發(fā)明微細絲狀石墨烯母料改性銅絲的顯著優(yōu)勢。具體測試性能見表1。實施例5一種用于增強銅基材料的石墨烯母料的制備方法和應(yīng)用方法，具體如下：（1）石墨烯與錫的分散：將4kg錫在高溫爐中加熱至熔融，并去除雜質(zhì)，然后將1kg石墨烯加入高溫爐中，在氮氣氛圍中，正向攪拌一定時間，再反向攪拌一定時間，反復(fù)攪拌四次后，逐漸降低攪拌速度，直至停止，并靜置30min，移入噴絲裝置，通過噴絲裝置向上設(shè)置的噴嘴噴射形成絲狀的噴射流；噴射壓力為1mpa，如此反復(fù)以絲狀噴射3次，通過噴射拉絲將石墨烯均勻分散于金屬錫中；（2）擠壓成型：將步驟（1）得到的石墨烯與金屬錫的分散體擠壓成型，設(shè)置模溫的為180~190℃，通過擠壓形成線徑為10±1mm的圓柱形石墨烯復(fù)合錫絲；（3）石墨烯與錫的拉絲：將步驟（3）得到的圓柱形石墨烯復(fù)合錫絲經(jīng)過于三臺拉絲機，大拉、二拉、三拉，每經(jīng)過一臺拉絲機后，使用熔融松香進行涂敷，較佳的保證了拉絲的均勻性、致密性和圓滑性，大拉、二拉、三拉得到的細絲線徑分別為1-2mm、0.5-1mm、0.05-0.1mm，從而得到線徑在0.05-0.1mm的復(fù)合細絲，即一種用于增強銅基材料的石墨烯母料。在用于增強銅基材料時，具體的使用方法為：經(jīng)過螺旋牽引，將微細絲狀的石墨烯母料進一步拉伸與銅絲纏繞在一起，形成具有螺旋繞絲的螺距為1mm，然后改變牽引方向，使其以反方向螺旋纏繞銅絲，然后在氫氣氛圍下，在一80~90℃、0.2~0.4mpa壓力下，使石墨烯與錫的復(fù)合細絲與銅絲進行半熱熔熱合，以增強兩者的界面結(jié)合強度，從而得到石墨烯增強的銅基材料。通過對增強銅絲的測試，銅絲的拉伸強度、斷裂伸長率顯著提高，電阻率降低明顯。較佳的顯現(xiàn)了本發(fā)明微細絲狀石墨烯母料改性銅絲的顯著優(yōu)勢。具體測試性能見表1。表1：實施案例抗拉強度（n/mm2）電阻率(ω·m)斷裂伸長率（%）未增強銅絲8501.7×10-845實施例115001.0×10-885實施例216000.75×10-870實施例316701.0×10-876實施例417500.80×10-878實施例516200.85×10-872當前第1頁12