一種石墨烯-銅復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種石墨烯?銅復(fù)合材料的制備方法，所述方法包括如下步驟：將石墨烯粉體、MAX相陶瓷粉體和銅粉混合均勻后，進(jìn)行熱壓燒結(jié)，得到石墨烯?銅復(fù)合材料。本發(fā)明提供的方法制備得到的石墨烯?銅復(fù)合材料具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)通過MAX相陶瓷改善了石墨烯與銅基體的界面結(jié)合狀態(tài)，解決了石墨烯與銅的結(jié)合問題。(2)所制備的石墨烯?銅復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和延展性。(3)本發(fā)明提供的方法工藝過程簡單，成本較低，材料成分設(shè)計(jì)方便，適合規(guī)?；a(chǎn)。
【專利說明】
一種石墨烯-銅復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及石墨稀復(fù)合材料的制備領(lǐng)域，具體涉及一種石墨稀-銅復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]銅及其合金在人類發(fā)展過程中起到了重要的作用，而在近現(xiàn)代工業(yè)，銅及銅合金以其優(yōu)良的導(dǎo)電，導(dǎo)熱，耐腐蝕性能在電工、電子、化工、交通、機(jī)械等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。隨著科技的發(fā)展，新技術(shù)對(duì)于新材料的依賴越來越強(qiáng)，對(duì)材料性能也提出更高的要求。但是銅的屈服強(qiáng)度一般較低，高溫抗變形能力更低，因而限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。通過在銅及銅合金中引入高強(qiáng)度、高模量、耐磨、耐高溫的增強(qiáng)物，它既保持了銅優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，又提高了材料力學(xué)性能、尤其是高溫性能，摩擦磨損性能，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。在銅及其合金中添加細(xì)小，彌散分布的高強(qiáng)度和高硬度增強(qiáng)物可有效提高材料的強(qiáng)度、硬度以及耐磨性，同時(shí)又能盡可能的保持銅優(yōu)良的導(dǎo)電性。
[0003]石墨烯自2004年被成功制備以來，因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能備受青睞。石墨烯是由碳原子以SP2雜化連接的單原子層構(gòu)成的，這種特殊的結(jié)構(gòu)蘊(yùn)含了豐富而新奇的物理現(xiàn)象，使石墨烯表現(xiàn)出許多優(yōu)異性質(zhì)，不僅具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，其彈性模量達(dá)到lTPa，斷裂強(qiáng)度超過lOOGPa，因此石墨烯是一種理想的銅及銅合金的增強(qiáng)相。然而石墨烯與銅之間的潤濕性較差，造成了石墨烯與銅及銅合金基體的界面結(jié)合力較弱，石墨烯在銅基體中的分散性也較差。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中為了改善石墨烯與銅基體的潤濕性，常采用化學(xué)方法在石墨烯表面生成銅，鎳等金屬顆粒，在經(jīng)過干燥、高溫還原性氣氛下還原制得復(fù)合粉體。再通一定的材料制備工藝制備得到最終的石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料。這些工藝方法不僅繁瑣，且整個(gè)工藝過程中常使用到一些有毒，有害的化學(xué)試劑，容易對(duì)人體和環(huán)境造成傷害和污染。
[0005]CN104451227A公開了一種鍍銅石墨烯增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法，該方法首先將氧化石墨烯進(jìn)行還原處理制得石墨烯，再對(duì)石墨烯進(jìn)行化學(xué)鍍銅、離心、洗滌、干燥制得鍍銅石墨烯，再將鍍銅石墨烯與金屬粉末球磨混合均勻，利用粉末冶金工藝制備鍍銅石墨烯增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。
[0006]CN103952588A公開了一種石墨烯銅基復(fù)合材料及其制備方法，該方法首先在基體金屬鹽溶液中加入石墨烯并超聲分散，然后再加入水合肼溶液還原出納米銅粉和石墨烯，再經(jīng)過攪拌、蒸干、高溫還原制得石墨稀銅復(fù)合粉體，再經(jīng)過粉末冶金工藝制備得到石墨稀銅基復(fù)合材料。
[0007]CN104451227A和CN103952588A所公開的方法都涉及化學(xué)鍍工藝對(duì)石墨烯粉體進(jìn)行預(yù)處理，在經(jīng)過干燥，高溫還原得到復(fù)合粉體的工藝過程，不僅工藝復(fù)雜而且使用了對(duì)環(huán)境有害的化學(xué)試劑。
[0008]CNl 04862512A公開了一種提尚銅基石墨稀復(fù)合材料中石墨稀與銅基體結(jié)合力的方法，該方法首先在銅粉中添加合金粉體，通過高能球磨機(jī)械合金化制得合金粉體，再將其與石墨烯分散液球磨混合均勻，過濾、干燥后得到銅合金石墨烯復(fù)合粉體，最后再通過粉末冶金工藝制備得到銅基石墨稀復(fù)合材料。該方法雖然不涉及化學(xué)鍍等工藝，但使用高能球磨制備合金粉的工藝過程，之后要對(duì)銅合金石墨烯復(fù)合粉體進(jìn)行氫氣還原，這樣的工藝過程同樣存在生產(chǎn)效率相對(duì)較低的問題。
[0009]綜上，現(xiàn)有技術(shù)中，石墨烯和銅基材料的復(fù)合存在基體結(jié)合差，分散性不佳，制備工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)。
[0010]因此，本領(lǐng)域需要開發(fā)一種工藝過程簡單，成本較低，材料成分設(shè)計(jì)方便，適合規(guī)?；a(chǎn)，且制備得到的石墨烯-銅復(fù)合材料具有較高的強(qiáng)度和延展性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種石墨烯和銅復(fù)合材料及其制備方法，所述石墨烯和銅復(fù)合材料通過MAX相陶瓷的分解物改善石墨烯與銅基體的界面結(jié)合，提供一種高強(qiáng)度、高延展性、耐磨性和導(dǎo)電性良好的復(fù)合材料。
[0012]本發(fā)明具體通過如下方案實(shí)現(xiàn):
[0013]本發(fā)明目的之一是提供一種石墨烯-銅復(fù)合材料的制備方法，所述方法包括如下步驟:
[0014]將石墨烯粉體、MAX相陶瓷粉體和銅粉混合均勻后，進(jìn)行熱壓燒結(jié)，得到石墨烯-銅復(fù)合材料。
[0015]MAX相，屬于六方晶系，其中的M為過渡金屬，A為主族元素，X為碳或氮，MAX相陶瓷具有低密度、高模量、良好的抗高溫氧化性能。MAX陶瓷在于金屬發(fā)生反應(yīng)時(shí)形成的非化學(xué)計(jì)量碳化物與碳材料能夠發(fā)生相互作用，在碳材料界面出現(xiàn)M元素聚集。例如Ti2AlC在Cu中分解形成TiC0.5，該材料在與石墨反應(yīng)時(shí)，能在石墨與Cu基體的界面處形成Ti元素的聚集，從而使原本不潤濕的石墨與Cu基體緊密相連。因此若采用MAX陶瓷和石墨稀一起作為添加相時(shí)，可改善石墨烯與銅基體的結(jié)合狀態(tài)，從而在增進(jìn)石墨烯的強(qiáng)化效果的同時(shí)協(xié)同發(fā)揮MAX的強(qiáng)化效果。本發(fā)明無需對(duì)石墨烯粉體做預(yù)處理，對(duì)混合后的銅石墨烯混合粉末直接采用高溫高壓技術(shù)制備石墨烯增強(qiáng)銅復(fù)合材料。
[0016]優(yōu)選地，所述MAX相陶瓷粉體選自Ti2AlC粉、Ti3AlC2粉、Ti3SiC2粉、Ti2SnC粉或Cr2AlC粉中的任意I種或至少2種的組合，優(yōu)選Ti2AlC陶瓷。
[0017]優(yōu)選地，所述石墨稀粉體的片徑為0.3?3μηι，例如0.4μηι、0.45μηι、0.5μηι、0.6μηι、0.9μηι、1.2μηι、1.35μηι、1.5μηι、1.8μηι、1.9μηι、2.3μηι、2.6μηι、2.7μηι、2.8μηι、2.9μηι等。
[0018]優(yōu)選地，所述銅粉的粒徑為10?6(^111，例如114111、134111、164111、194111、214111、224111、274m、30μηι、36μηι、40μηι、46μηι、49μηι、52μηι、54μηι、57μηι 等 0
[0019]優(yōu)選地，所述MAX粉體的粒徑為0.3?15μηι，例如0.4μηι、0.8μηι、Ιμπι、1.7μηι、2.Ιμπι、
2.9μπι、3.5μπι、3.6μπι、3.9μπι、4μπι、4.6μπι、4.9μπι、5.2μπι、6μπι、7.5μπι、9μπι、Ι?μπι、13μπι、13.9μπι、14卩111等。
[0020]優(yōu)選地，所述石墨烯粉體、MAX相陶瓷粉體和銅粉的混合質(zhì)量百分比為:
[0021 ] 石墨稀粉體0.01?5wt.%、MAX相陶瓷粉體0.1?1wt.%和銅粉85?99.89wt.% 0
[0022]優(yōu)選地，所述石墨烯粉體通過如下步驟制備得到:
[0023](I)以導(dǎo)電石墨紙為陽極，電化學(xué)插層法剝落陽極；
[0024](2)去除步驟(I)得到的陽極剝落產(chǎn)物中的電解質(zhì)殘留，得到插層石墨，之后將所述插層石墨在去離子水中進(jìn)行機(jī)械剪切剝離；
[0025](3)將步驟(2)的產(chǎn)物進(jìn)行冷凍干燥，得到石墨烯粉體。
[0026]優(yōu)選地，步驟(I)所述“電化學(xué)插層法剝落陽極”的過程中，陰極為鎳片，優(yōu)選與陽極等面積的鎳片。
[0027]優(yōu)選地，步驟(I)所述電化插層學(xué)法剝落陽極的過程中，電極間的電流為0.4?0.6八，優(yōu)選0.5八；
[0028]優(yōu)選地，所述“去除步驟(I)得到的陽極剝落產(chǎn)物中的電解質(zhì)殘留”的方法為:將步驟(I)電解后的電解液抽濾，并將濾渣用去離子水洗滌至電解質(zhì)完全去除。
[0029]優(yōu)選地，所述插層石墨分散在去離子水中的濃度為5?50mg/mL，例如7mg/mL、12mg/mL、17mg/mL、24mg/mL、28mg/mL、35mg/mL、43mg/mL、47mg/mL、等。
[0030]優(yōu)選地，所述機(jī)械剪切剝離的溫度為7?9°C，優(yōu)選8°C。
[0031 ] 優(yōu)選地，所述機(jī)械剪切的定子與轉(zhuǎn)子間隙為0.1?0.5mm，優(yōu)選0.3mm。
[0032]優(yōu)選地，所述機(jī)械剪切的剪切轉(zhuǎn)速4000?13000rpm，例如4500rpm、5500rpm、6500rpm、7300rpm、8400rpm、9200rpm、11500rpm、12500rpm等。
[0033]優(yōu)選地，所述“將石墨烯粉體、MAX相陶瓷粉體和銅粉混合均勾”的方法為球磨。
[0034]優(yōu)選地，所述球磨的磨料為瑪瑙球。
[0035]優(yōu)選地，所述瑪瑙球的添加量為200?400g瑪瑙球/10g物料。
[0036]優(yōu)選地，所述球磨時(shí)間為10?48h。
[0037]優(yōu)選地，所述“熱壓燒結(jié)”選自加壓升溫?zé)Y(jié)、放電等離子燒結(jié)或熱等靜壓燒結(jié)中的任意I種，優(yōu)選加壓升溫?zé)Y(jié)。
[0038]優(yōu)選地，所述加壓升溫?zé)Y(jié)的壓力為10?50MPa，例如I IMPa、13MPa、15MPa、18MPa、2IMPa、24MPa、28MPa、32MPa、36MPa、45MPa等。
[0039]優(yōu)選地，所述“熱壓燒結(jié)”的溫度為900?1150 °C，例如950 °C、1020 °C、1120 °C等。
[0040 ]優(yōu)選地，所述“熱壓燒結(jié)”的過程為:在氬氣氣氛或真空下，按1?30 °C /mi η的升溫速率，將爐溫升至900?1150°C，施加10?50MPa的壓力，保溫20?60min，以10?15°C/min的速率冷卻。
[0041]作為優(yōu)選技術(shù)方案，本發(fā)明所述石墨烯-銅復(fù)合材料的制備方法包括如下步驟:
[0042](I)以導(dǎo)電石墨紙為陽極，與陽極等面積的鎳片為陰極，在0.5A的電流下，電化學(xué)插層法剝落陽極；
[0043](2)將步驟(I)電解后的電解液抽濾，并將濾渣用去離子水洗滌至電解質(zhì)完全去除，得到陽極剝落產(chǎn)物，之后將所述陽極剝落產(chǎn)物以5?50mg/mL的濃度分散在去離子水中，在8 °C的循環(huán)水下，以定子與轉(zhuǎn)子間隙為0.3mm，剪切轉(zhuǎn)速4000?13000rpm的條件進(jìn)行機(jī)械剪切剝離；
[0044](3)將步驟(2)的產(chǎn)物進(jìn)行冷凍干燥，得到石墨烯粉體；
[0045](4)按照質(zhì)量百分比為石墨稀粉體0.01?5wt.%、MAX相陶瓷粉體0.1?1wt.%和銅粉85?99.89wt.%混合物料，按每10g加入200?400g瑪瑙球，球磨10?48h，球磨產(chǎn)物過80?200目篩，得到混合粉料；
[0046](5)將步驟(4)的混合粉料在氬氣氣氛或真空下，按10?30°C/min的升溫速率，將爐溫升至900?1150°C，施加10?50MPa的壓力，保溫20?60min，以10?15°C/min的速率冷卻，得到石墨稀-銅復(fù)合材料。
[0047]本發(fā)明的目的之二是提供一種石墨烯-銅復(fù)合材料，所述石墨烯-銅復(fù)合材料具有石墨烯、銅基體和由MAX相陶瓷的分解物得到的復(fù)合材料；
[0048]優(yōu)選地，所述石墨稀-銅復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度為200?500MPa;
[0049]優(yōu)選地，所述石墨稀-銅復(fù)合材料的延伸特性為10?25%。
[0050]優(yōu)選地，本發(fā)明所述石墨烯-銅復(fù)合材料由目的之一所述的方法制備得到。
[0051]本發(fā)明目的之三是提供一種如目的之二所述石墨烯-銅復(fù)合材料的用途，所述石墨烯-銅復(fù)合材料用于結(jié)構(gòu)材料、電接觸材料及摩擦磨損材料。
[0052]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0053](I)本發(fā)明提供的方法制備得到的石墨烯-銅復(fù)合材料，通過MAX相陶瓷改善了石墨烯與銅基體的界面結(jié)合狀態(tài)，解決了石墨烯與銅的結(jié)合問題。
[0054](2)所制備的石墨烯-銅復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度最高達(dá)到500MPa，延伸率最高達(dá)到25% ；
[0055](3)本發(fā)明提供的方法工藝過程簡單，成本較低，材料成分設(shè)計(jì)方便，適合規(guī)?；a(chǎn)。
【附圖說明】
[0056]圖1為實(shí)施例1得到的石墨烯-銅復(fù)合材料的拉伸斷口掃描電鏡照片；
[0057]圖2為實(shí)施例1和對(duì)比例I和2得到的復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0058]為便于理解本發(fā)明，本發(fā)明列舉實(shí)施例如下。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明了，所述實(shí)施例僅僅是幫助理解本發(fā)明，不應(yīng)視為對(duì)本發(fā)明的具體限制。
[0059]實(shí)施例1
[0060]一種石墨烯-銅復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟:
[0061](I)以導(dǎo)電石墨紙為陽極，與陽極等面積的鎳片為陰極，在0.5A的電流下，電化學(xué)插層法剝落陽極；
[0062](2)將步驟(I)電解后的電解液抽濾，并將濾渣用去離子水洗滌至電解質(zhì)完全去除，得到陽極剝落產(chǎn)物，之后將所述陽極剝落產(chǎn)物以20mg/mL的濃度分散在去離子水中，在8°C的循環(huán)水下，以定子與轉(zhuǎn)子間隙為0.3mm，剪切轉(zhuǎn)速7000rpm的條件進(jìn)行機(jī)械剪切剝離；
[0063](3)將步驟(2)的產(chǎn)物進(jìn)行冷凍干燥，得到石墨烯粉體；
[0064](4)按照質(zhì)量百分比為石墨稀粉體0.1wt.%、Ti2AlC陶瓷粉體7.5wt.%和銅粉92 Awt.%混合物料，按每10(^加入30(^瑪瑙球，球磨24h，球磨產(chǎn)物過100目篩，得到混合粉料；
[0065](5)將步驟(4)的混合粉料在氬氣氣氛或真空下，按25°C/min的升溫速率，將爐溫升至1100°C，施加30MPa的壓力，保溫60min，以13°C/min的速率冷卻，得到石墨稀-銅復(fù)合材料。制備的石墨烯增強(qiáng)銅復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到433MPa，延伸率為21 %。
[0066]實(shí)施例2
[0067]—種石墨烯-銅復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟:
[0068](I)以導(dǎo)電石墨紙為陽極，與陽極等面積的鎳片為陰極，在0.4A的電流下，電化學(xué)插層法剝落陽極；
[0069](2)將步驟(I)電解后的電解液抽濾，并將濾渣用去離子水洗滌至電解質(zhì)完全去除，得到陽極剝落產(chǎn)物，之后將所述陽極剝落產(chǎn)物以5mg/mL的濃度分散在去離子水中，在9°C的循環(huán)水下，以定子與轉(zhuǎn)子間隙為0.1mm，剪切轉(zhuǎn)速4000rpm的條件進(jìn)行機(jī)械剪切剝離；
[0070](3)將步驟(2)的產(chǎn)物進(jìn)行冷凍干燥，得到石墨烯粉體；
[0071](4)按照質(zhì)量百分比為石墨烯粉體0.0lwt.%、Ti2AlC陶瓷粉體1wt.%和銅粉89.99wt.%混合物料，按每10(^加入20(^瑪瑙球，球磨1h，球磨產(chǎn)物過50目篩，得到混合粉料；
[0072](5)將步驟(4)的混合粉料在氬氣氣氛或真空下，按1 °C /min的升溫速率，將爐溫升至900°C，施加1MPa的壓力，保溫20min，以10°C/min的速率冷卻，得到石墨稀-銅復(fù)合材料。制備的石墨烯增強(qiáng)銅復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到50IMPa，延伸率為13 %。
[0073]實(shí)施例3
[0074]—種石墨烯-銅復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟:
[0075](I)以導(dǎo)電石墨紙為陽極，與陽極等面積的鎳片為陰極，在0.6A的電流下，電化學(xué)插層法剝落陽極；
[0076](2)將步驟(I)電解后的電解液抽濾，并將濾渣用去離子水洗滌至電解質(zhì)完全去除，得到陽極剝落產(chǎn)物，之后將所述陽極剝落產(chǎn)物以50mg/mL的濃度分散在去離子水中，在7°C的循環(huán)水下，以定子與轉(zhuǎn)子間隙為0.5mm，剪切轉(zhuǎn)速13000rpm的條件進(jìn)行機(jī)械剪切剝離；
[0077](3)將步驟(2)的產(chǎn)物進(jìn)行冷凍干燥，得到石墨烯粉體；
[0078](4)按照質(zhì)量百分比為石墨烯粉體5wt.%、Ti2AlC陶瓷粉體0.lwt.%和銅粉94.9wt.%混合物料，按每10(^加入40(^瑪瑙球，球磨48h，球磨產(chǎn)物過200目篩，得到混合粉料；
[0079](5)將步驟(4)的混合粉料在氬氣氣氛或真空下，按30 V /min的升溫速率，將爐溫升至1150°C，施加50MPa的壓力，保溫60min，以15°C/min的速率冷卻，得到石墨稀-銅復(fù)合材料。制備的石墨烯增強(qiáng)銅復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到307MPa，延伸率為11 %。
[0080]實(shí)施例4
[0081 ] 一種石墨烯-銅復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟:
[0082](I)以導(dǎo)電石墨紙為陽極，與陽極等面積的鎳片為陰極，在0.5A的電流下，電化學(xué)插層法剝落陽極；
[0083](2)將步驟(I)電解后的電解液抽濾，并將濾渣用去離子水洗滌至電解質(zhì)完全去除，得到陽極剝落產(chǎn)物，之后將所述陽極剝落產(chǎn)物以20mg/mL的濃度分散在去離子水中，在8°C的循環(huán)水下，以定子與轉(zhuǎn)子間隙為0.3mm，剪切轉(zhuǎn)速7000rpm的條件進(jìn)行機(jī)械剪切剝離；
[0084](3)將步驟(2)的產(chǎn)物進(jìn)行冷凍干燥，得到石墨烯粉體；
[0085](4)按照質(zhì)量百分比為石墨烯粉體0.05wt.%、Ti2AlC陶瓷粉體5wt.%和銅粉94.95wt.%混合物料，按每10g加入300g瑪瑙球，球磨24h，球磨產(chǎn)物過100目篩，得到混合粉料；
[0086](5)將步驟(4)的混合粉料在氬氣氣氛或真空下，按25°C/min的升溫速率，將爐溫升至1100°C，施加30MPa的壓力，保溫60min，以13°C/min的速率冷卻，得到石墨稀-銅復(fù)合材料。制備的石墨烯增強(qiáng)銅復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到386MPa，延伸率為25%。
[0087]實(shí)施例5
[0088]—種石墨烯-銅復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟:
[0089](I)以導(dǎo)電石墨紙為陽極，與陽極等面積的鎳片為陰極，在0.5A的電流下，電化學(xué)插層法剝落陽極；
[0090](2)將步驟(I)電解后的電解液抽濾，并將濾渣用去離子水洗滌至電解質(zhì)完全去除，得到陽極剝落產(chǎn)物，之后將所述陽極剝落產(chǎn)物以20mg/mL的濃度分散在去離子水中，在8°C的循環(huán)水下，以定子與轉(zhuǎn)子間隙為0.3mm，剪切轉(zhuǎn)速7000rpm的條件進(jìn)行機(jī)械剪切剝離；
[0091](3)將步驟(2)的產(chǎn)物進(jìn)行冷凍干燥，得到石墨烯粉體；
[0092](4)按照質(zhì)量百分比為石墨烯粉體0.1的.％、11341(:2陶瓷粉體7.5的.％和銅粉92.4wt.%混合物料，按每10(^加入30(^瑪瑙球，球磨24h，球磨產(chǎn)物過100目篩，得到混合粉料；
[0093](5)將步驟(4)的混合粉料在氬氣氣氛或真空下，按25°C/min的升溫速率，將爐溫升至1100°C，施加30MPa的壓力，保溫60min，以13°C/min的速率冷卻，得到石墨稀-銅復(fù)合材料。制備的石墨稀增強(qiáng)銅復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到416MPa，延伸率為19%。
[0094]實(shí)施例6
[0095]—種石墨烯-銅復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟:
[0096](I)以導(dǎo)電石墨紙為陽極，與陽極等面積的鎳片為陰極，在0.5A的電流下，電化學(xué)插層法剝落陽極；
[0097](2)將步驟(I)電解后的電解液抽濾，并將濾渣用去離子水洗滌至電解質(zhì)完全去除，得到陽極剝落產(chǎn)物，之后將所述陽極剝落產(chǎn)物以20mg/mL的濃度分散在去離子水中，在8°C的循環(huán)水下，以定子與轉(zhuǎn)子間隙為0.3mm，剪切轉(zhuǎn)速7000rpm的條件進(jìn)行機(jī)械剪切剝離；
[0098](3)將步驟(2)的產(chǎn)物進(jìn)行冷凍干燥，得到石墨烯粉體；
[0099](4)按照質(zhì)量百分比為石墨稀粉體0.15wt.%、Ti3SiC2陶瓷粉體6wt.%和銅粉93.85wt.%混合物料，按每10g加入300g瑪瑙球，球磨24h，球磨產(chǎn)物過100目篩，得到混合粉料；
[0100](5)將步驟(4)的混合粉料在氬氣氣氛或真空下，按25°C/min的升溫速率，將爐溫升至1100°C，施加30MPa的壓力，保溫60min，以13°C/min的速率冷卻，得到石墨稀-銅復(fù)合材料。制備的石墨烯增強(qiáng)銅復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到404MPa，延伸率為20%。
[0101]實(shí)施例7
[0102]—種石墨烯-銅復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟:
[0103](I)以導(dǎo)電石墨紙為陽極，與陽極等面積的鎳片為陰極，在0.5A的電流下，電化學(xué)插層法剝落陽極；
[0104](2)將步驟(I)電解后的電解液抽濾，并將濾渣用去離子水洗滌至電解質(zhì)完全去除，得到陽極剝落產(chǎn)物，之后將所述陽極剝落產(chǎn)物以20mg/mL的濃度分散在去離子水中，在8°C的循環(huán)水下，以定子與轉(zhuǎn)子間隙為0.3mm，剪切轉(zhuǎn)速7000rpm的條件進(jìn)行機(jī)械剪切剝離；
[0105](3)將步驟(2)的產(chǎn)物進(jìn)行冷凍干燥，得到石墨烯粉體；
[0106](4)按照質(zhì)量百分比為石墨稀粉體0.1wt.%、Ti2SnC陶瓷粉體5wt.%和銅粉94.9wt.%混合物料，按每10(^加入30(^瑪瑙球，球磨24h，球磨產(chǎn)物過10目篩，得到混合粉料；
[0107](5)將步驟(4)的混合粉料在氬氣氣氛或真空下，按25°C/min的升溫速率，將爐溫升至1050°C，施加30MPa的壓力，保溫60min，以13°C/min的速率冷卻，得到石墨稀-銅復(fù)合材料。制備的石墨烯增強(qiáng)銅復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到376MPa，延伸率為15%。
[0108]實(shí)施例8
[0109]—種石墨烯-銅復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟:
[0110](I)以導(dǎo)電石墨紙為陽極，與陽極等面積的鎳片為陰極，在0.5A的電流下，電化學(xué)插層法剝落陽極；
[0111](2)將步驟(I)電解后的電解液抽濾，并將濾渣用去離子水洗滌至電解質(zhì)完全去除，得到陽極剝落產(chǎn)物，之后將所述陽極剝落產(chǎn)物以20mg/mL的濃度分散在去離子水中，在8°C的循環(huán)水下，以定子與轉(zhuǎn)子間隙為0.3mm，剪切轉(zhuǎn)速7000rpm的條件進(jìn)行機(jī)械剪切剝離；
[0112](3)將步驟(2)的產(chǎn)物進(jìn)行冷凍干燥，得到石墨烯粉體；
[0113](4)按照質(zhì)量百分比為石墨稀粉體0.1wt.%、Cr2AlC陶瓷粉體3wt.%、Ti2AlC陶瓷粉體3wt.%和銅粉93.9wt.%混合物料，按每10g加入300g瑪瑙球，球磨24h，球磨產(chǎn)物過100目篩，得到混合粉料；
[0114](5)將步驟(4)的混合粉料在氬氣氣氛或真空下，按25°C/min的升溫速率，將爐溫升至1060°C，施加30MPa的壓力，保溫60min，以13°C/min的速率冷卻，得到石墨稀-銅復(fù)合材料。制備的石墨烯增強(qiáng)銅復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到425MPa，延伸率為19%。
[0115]對(duì)比例I
[0116](I)按照質(zhì)量百分比Ti2AlC陶瓷粉體7.5wt.%和銅粉92.5wt.%混合物料，按每10g加入300g瑪瑙球，球磨24h，球磨產(chǎn)物過100目篩，得到混合粉料；
[0117](2)將步驟(I)的混合粉料在氬氣氣氛或真空下，按25°C/min的升溫速率，將爐溫升至1100°C，施加30MPa的壓力，保溫60min，以13°C/min的速率冷卻，得到石墨稀-銅復(fù)合材料。制備的石墨烯增強(qiáng)銅復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到393MPa，延伸率為13%。
[0118]對(duì)比例2
[0119](I)以導(dǎo)電石墨紙為陽極，與陽極等面積的鎳片為陰極，在0.5A的電流下，電化學(xué)插層法剝落陽極形成插層石墨；
[0120](2)將步驟(I)電解后的電解液抽濾，并將濾渣用去離子水洗滌至電解質(zhì)完全去除，得到插層石墨，之后將所述插層石墨以20mg/mL的濃度分散在去離子水中，在8°C的循環(huán)水下，以定子與轉(zhuǎn)子間隙為0.3mm，剪切轉(zhuǎn)速7OOOrpm的條件進(jìn)行機(jī)械剪切剝離；
[0121](3)將步驟(2)的產(chǎn)物進(jìn)行冷凍干燥，得到石墨烯粉體；
[ΟΙ22] (4)按照質(zhì)量百分比為石墨稀粉體0.1wt.%和銅粉99.9wt.%混合物料，按每10g加入300g瑪瑙球，球磨24h，球磨產(chǎn)物過100目篩，得到混合粉料；
[0123](5)將步驟(4)的混合粉料在氬氣氣氛或真空下，按25 °C /min的升溫速率，將爐溫升至1100°C，施加30MPa的壓力，保溫60min，以13°C/min的速率冷卻，得到石墨稀-銅復(fù)合材料。制備的石墨烯增強(qiáng)銅復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到205MPa，延伸率為16 %。
[0124]
【申請(qǐng)人】聲明，本發(fā)明通過上述實(shí)施例來說明本發(fā)明的詳細(xì)工藝設(shè)備和工藝流程，但本發(fā)明并不局限于上述詳細(xì)工藝設(shè)備和工藝流程，即不意味著本發(fā)明必須依賴上述詳細(xì)工藝設(shè)備和工藝流程才能實(shí)施。所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明了，對(duì)本發(fā)明的任何改進(jìn)，對(duì)本發(fā)明產(chǎn)品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍和公開范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種石墨烯-銅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: 將石墨烯粉體、MAX相陶瓷粉體和銅粉混合均勻后，進(jìn)行熱壓燒結(jié)，得到石墨烯-銅復(fù)合材料。2.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述MAX相陶瓷粉體選自Ti2AlC粉、Ti3AlC2粉、Ti3SiC2粉、Ti2SnC粉或Cr2AlC粉中的任意I種或至少2種的組合，優(yōu)選Ti2AlC陶 優(yōu)選地，所述石墨稀粉體的片徑為0.3?3μηι ； 優(yōu)選地，所述銅粉的粒徑為10?60μηι ； 優(yōu)選地，所述MAX粉體的粒經(jīng)為0.3?15μπι; 優(yōu)選地，所述石墨烯粉體、MAX相陶瓷粉體和銅粉的混合質(zhì)量百分比為: 石墨稀粉體0.01?5wt.%、MAX相陶瓷粉體0.I?1wt.%和銅粉85?99.89wt.%。3.如權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于，所述石墨烯粉體通過如下步驟制備得到: (1)以導(dǎo)電石墨紙為陽極，電化學(xué)插層法剝落陽極； (2)去除步驟(I)得到的陽極剝落產(chǎn)物中的電解質(zhì)殘留，得到插層石墨，之后將所述插層石墨在去離子水中進(jìn)行機(jī)械剪切剝離； (3)將步驟(2)的產(chǎn)物進(jìn)行冷凍干燥，得到石墨烯粉體。4.如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，步驟(I)所述“電化學(xué)插層法剝落陽極”的過程中，陰極為鎳片，優(yōu)選與陽極等面積的鎳片； 優(yōu)選地，步驟(I)所述電化學(xué)插層法剝落陽極的過程中，電極間的電流為0.4?0.6A，優(yōu)選0.5A; 優(yōu)選地，所述“去除步驟(I)得到的陽極剝落產(chǎn)物中的電解質(zhì)殘留”的方法為:將步驟(I)電解后的電解液抽濾，并將濾渣用去離子水洗滌至電解質(zhì)完全去除； 優(yōu)選地，所述插層石墨分散在去離子水中的濃度為5?50mg/mL; 優(yōu)選地，所述機(jī)械剪切剝離的溫度為7?9°C，優(yōu)選8°C ; 優(yōu)選地，所述機(jī)械剪切的定子與轉(zhuǎn)子間隙為0.1?0.5mm，優(yōu)選0.3mm ； 優(yōu)選地，所述機(jī)械剪切的剪切轉(zhuǎn)速4000?13000rpm。5.如權(quán)利要求1?4之一所述的制備方法，其特征在于，所述“將石墨烯粉體、MAX相陶瓷粉體和銅粉混合均勻”的方法為球磨； 優(yōu)選地，所述球磨的磨料為瑪瑙球； 優(yōu)選地，所述瑪瑙球的添加量為200?400g瑪瑙球/10g物料； 優(yōu)選地，所述球磨時(shí)間為10?48h。6.如權(quán)利要求1?5之一所述的制備方法，其特征在于，所述“熱壓燒結(jié)”選自加壓升溫?zé)Y(jié)、放電等離子燒結(jié)或熱等靜壓燒結(jié)中的任意I種，優(yōu)選加壓升溫?zé)Y(jié)； 優(yōu)選地，所述加壓升溫?zé)Y(jié)的壓力為10?50MPa; 優(yōu)選地，所述“熱壓燒結(jié)”的溫度為900?1150 0C ； 優(yōu)選地，所述“熱壓燒結(jié)”的過程為:在氬氣氣氛或真空下，按10?30°C/min的升溫速率，將爐溫升至900?1150°C，施加10?50MPa的壓力，保溫20?60min，以10?15°C/min的速率冷卻。7.如權(quán)利要求1?6之一所述的制備方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: (1)以導(dǎo)電石墨紙為陽極，與陽極等面積的鎳片為陰極，在0.5A的電流下，電化學(xué)插層法剝落陽極； (2)將步驟(I)電解后的電解液抽濾，并將濾渣用去離子水洗滌至電解質(zhì)完全去除，得到陽極剝落產(chǎn)物，之后將所述陽極剝落產(chǎn)物以5?50mg/mL的濃度分散在去離子水中，在8°C的循環(huán)水下，以定子與轉(zhuǎn)子間隙為0.3mm，剪切轉(zhuǎn)速4000?13000rpm的條件進(jìn)行機(jī)械剪切剝離； (3)將步驟(2)的產(chǎn)物進(jìn)行冷凍干燥，得到石墨烯粉體； (4)按照質(zhì)量百分比為石墨稀粉體0.01?5wt.%、MAX相陶瓷粉體0.1?1wt.%和銅粉85?99.89wt.%混合物料，按每10g加入200?400g瑪瑙球，球磨10?48h，球磨產(chǎn)物過80?200目篩，得到混合粉料； (5)將步驟(4)的混合粉料在氬氣氣氛或真空下，按10?30°C/min的升溫速率，將爐溫升至900?1150°C，施加10?50MPa的壓力，保溫20?60min，以10?15°C/min的速率冷卻，得到石墨稀-銅復(fù)合材料O8.—種石墨稀-銅復(fù)合材料，其特征在于，所述石墨稀-銅復(fù)合材料具有石墨稀、銅基體和由MAX相陶瓷的分解物得到的復(fù)合材料； 優(yōu)選地，所述石墨稀-銅復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度為200?500MPa; 優(yōu)選地，所述石墨烯-通復(fù)合材料的延伸率為10?25%。9.如權(quán)利要求8所述的石墨稀-銅復(fù)合材料，其特征在于，所述石墨稀-銅復(fù)合材料由權(quán)利要求I?6之一所述的方法制備得到。10.一種如權(quán)利要求8或9所述石墨烯-銅復(fù)合材料的用途，其特征在于，所述石墨烯-銅復(fù)合材料用于結(jié)構(gòu)材料、電接觸材料及摩擦磨損材料。
【文檔編號(hào)】C22C32/00GK105908007SQ201610393010
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年6月6日
【發(fā)明人】王鈺, 李萌啟
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院過程工程研究所