具有三維網狀結構的石墨烯增強銅鉬復合材料及制備方法技術

本發明專利技術公開了具有三維網狀結構的石墨烯增強銅鉬復合材料，包括Cu、Mo和還原氧化石墨烯三種組分。本發明專利技術還公開了具有三維網狀結構的石墨烯增強銅鉬復合材料的制備方法，包括：首先對Cu粉進行陽離子改性處理；其次將氧化石墨烯分散在乙醇溶液中，再加入硝酸銅，得到負載Cu

【技術實現步驟摘要】
具有三維網狀結構的石墨烯增強銅鉬復合材料及制備方法


[0001]本專利技術屬于銅基復合材料制備
，具體涉及具有三維網狀結構的石墨烯增強銅鉬復合材料，還涉及具有三維網狀結構的石墨烯增強銅鉬復合材料的制備方法。

技術介紹

[0002]銅鉬復合材料以其優異的導電、導熱特性，以及高硬度、高彈性模量、低熱膨脹系數等性能廣泛應用于高壓開關、微電子封裝以及儀器儀表等眾多領域。但是，銅鉬屬于二元難混熔體系，傳統的機械合金化、熔滲法、液相燒結法和注射成型等工藝制備的銅鉬合金盡管提高了力學性能，但往往以犧牲材料的導電導熱性能為代價，從而限制了其更為廣泛的應用。作為一種蜂窩狀片層結構的二維材料，石墨烯因其優異的強度、超高的載流子遷移率和熱導率等性能成為金屬基復合材料的理想增強體。因此，將石墨烯引入到銅鉬中，有望獲得力學性能和導電導熱性能優異的復合材料。
[0003]目前石墨烯增強銅基復合材料的制備方法有球磨法、分子級共混法、原位生長法、電化學法、熔鑄法、軋制法等。盡管這些方法不同程度上獲得了物理性能和力學性能的提升，但石墨烯片層間強的范德華力所造成的自身團聚，以及石墨烯與金屬的界面潤濕性差等問題仍沒有得到有效解決，從而不能充分發揮石墨烯優異的本征特性。與二維石墨烯不同的是，三維網狀石墨烯是一種非平面立體起伏的空間結構，所具有的各向同性使得片層之間分散更為均勻。同時，這種超連續片層可以在金屬基體內部構筑成網絡狀連通通道，從而與金屬達到三維空間上的緊密結合，這不僅能顯著提高復合材料的導電導熱性能，而且實現了復合材料強韌性的同時提高。因此，開發一種具有三維網狀結構的石墨烯增強銅鉬復合材料及制備方法具有重要的工程意義和實用價值。

技術實現思路

[0004]本專利技術的目的是提供具有三維網狀結構的石墨烯增強銅鉬復合材料。
[0005]本專利技術的目的還在于提供具有三維網狀結構的石墨烯增強銅鉬復合材料的制備方法，本專利技術通過表面改性、靜電自組裝和原位還原相結合的方法，實現了氧化還原石墨烯(rGO)在銅鉬復合材料中的連續分布和均勻分散，解決了石墨烯片易團聚和難分散的問題。隨后經熱壓燒結技術，促使rGO在基體中形成各向同性的連通通路，獲得了具有三維網狀結構的rGO增強銅鉬復合材料。此外，燒結過程中在界面處生成的碳化鉬，實現了Cu和Mo界面處的冶金結合，有利于復合材料性能的進一步提高。
[0006]本專利技術所采用的第一種技術方案是，具有三維網狀結構的石墨烯增強銅鉬復合材料，按照質量百分比包括以下組分：Cu 78.5～89.9wt.％；Mo 10.0～20.0wt.％；氧化還原石墨烯0.1～1.5wt.％，以上各組分質量百分比之和為100％。
[0007]本專利技術所采用的第二種技術方案是，具有三維網狀結構的石墨烯增強銅鉬復合材料的制備方法，具體步驟如下：
[0008]步驟1，按照如下質量百分比稱取原料：Cu粉78.5～89.9wt.％；Mo粉10.0～
20.0wt.％；氧化石墨烯0.1～1.5wt.％，以上各組分質量百分比之和為100％；
[0009]步驟2，將步驟1稱取的Cu粉加入十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)的乙醇溶液中，磁力攪拌0.5～1h后洗滌離心得到改性Cu粉；
[0010]步驟3，將氧化石墨烯加入到乙醇中，超聲分散1～2h，隨后加入Cu(NO3)2·
3H2O磁力攪拌0.5～1h，得到負載Cu
2+
的氧化石墨烯混合溶液；
[0011]步驟4，將步驟1獲得的改性Cu粉加入到步驟3負載Cu
2+
的氧化石墨烯混合溶液中，磁力攪拌0.5～1h，隨后加入Mo，再磁力攪拌0.5～1h，得到GO/Cu
?
Mo的混合溶液；
[0012]步驟5，將抗壞血酸溶液逐滴加入到步驟4獲得的GO/Cu
?
Mo混合溶液中，加入NaOH調節pH值至10～12，隨后放入90～100℃水浴鍋中磁力攪拌6～8h，完全干燥后得到原位還原氧化石墨烯增強銅鉬復合粉末；
[0013]步驟6，將步驟5得到的還原氧化石墨烯增強銅鉬復合粉末裝入石墨模具中預壓，隨后放入真空熱壓燒結爐中燒結至900～950℃，保溫30～45min，最后隨爐冷卻，即得到具有三維網絡結構的石墨烯增強銅鉬復合材料。
[0014]本專利技術的特點還在于，
[0015]步驟2中十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)的乙醇溶液濃度為0.3～0.6mg/ml，磁力攪拌速率為300～400rpm；
[0016]步驟3中氧化石墨烯溶液的濃度為0.4～7.5mg/ml，氧化石墨烯與Cu
2+
的質量比1:5～10，磁力攪拌速率為300～400rpm；
[0017]步驟5中抗壞血酸溶液的溶度為8.0～30.0mg/ml，氧化石墨烯與抗壞血酸的質量比為1:0.4～1.6；
[0018]步驟6中石墨模具壓制壓力為8～10MPa，保壓時間10～20s，真空熱壓燒結爐內的真空度不低于1
×
10
?3Pa，升溫速度為30～40℃/min。
[0019]本專利技術的有益效果是，本專利技術獲得的具有三維網狀結構的石墨烯增強銅鉬復合材料，實現了還原氧化石墨烯在金屬基體中的連續分散和均勻分布，解決了石墨烯在銅基復合材料中易團聚和難分散的問題；所構筑的三維網狀石墨烯結構在銅鉬復合材料中形成了具有各向同性的連續通道，不僅提升了復合材料的導電導熱性能，而且更有助于載荷的傳遞，同時實現了增強增韌的效果。此外，在銅和鉬界面處原位生成的碳化鉬，增強了銅與鉬界面間的結合，進一步提高了復合材料性能。
[0020]本專利技術的制備方法優勢在于，有機結合了表面改性、靜電自組裝、原位還原和真空熱壓燒結技術的優點。首先經陽離子改性的Cu粉與氧化石墨烯(GO)表面攜帶的陰離子在溶液中形成靜電自組裝效應，在靜電引力的作用下，帶相反電荷的氧化石墨烯吸附在改性的Cu離子表面。在綠色還原劑抗壞血酸作用下，Cu顆粒表面的GO片層被原位還原成連續分布的還原氧化石墨烯(rGO)，同時GO表面負載的Cu
2+
也被還原成納米銅顆粒。在熱壓燒結過程中，Cu顆粒表面原位生成的rGO在外部施加的壓力以及由于金屬Cu與石墨烯因熱膨脹系數差產生的熱應力效應共同作用下使Cu粉表面原位還原的rGO發生焊合，促使rGO在基體中形成了連續的三維網絡狀結構，從而為電子、聲子和載荷的傳遞提供了連續通道。此外，連通的石墨烯三維網絡在進一步燒結過程中對基體晶粒產生更強的限制作用，更有效地阻礙了基體晶粒的長大。與此同時，Cu表面的rGO與Mo在界面處原位生成的碳化鉬，同時碳化鉬作為一種傳統增強相，其本身具有較高的硬度和耐蝕性，也進一步優化了銅基復合材料的性
能。
附圖說明
[0021]圖1是本專利技術具有三維網狀結構的石墨烯增強銅鉬復合材料制備方法制備流程圖；
[0022]圖2是本專利技術具有三維網狀結構的石墨烯增強銅鉬復合粉末形貌的低倍照片；
[0023]圖3本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.具有三維網狀結構的石墨烯增強銅鉬復合材料，其特征在于，按照質量百分比包括以下組分：Cu 78.5～89.9wt.％；Mo 10.0～20.0wt.％；還原氧化石墨烯0.1～1.5wt.％，以上各組分質量百分比之和為100％。2.具有三維網狀結構的石墨烯增強銅鉬復合材料的制備方法，其特征在于，具體包括以下步驟：步驟1，按照如下質量百分比稱取原料：Cu粉78.5～89.9wt.％；Mo粉10.0～20.0wt.％；氧化石墨烯0.1～1.5wt.％，以上各組分質量百分比之和為100％；步驟2，將步驟1稱取的Cu粉加入十六烷基三甲基溴化銨的乙醇溶液中，磁力攪拌0.5～1h后洗滌離心得到改性Cu粉；步驟3，將氧化石墨烯加入到乙醇中，超聲分散1～2h，隨后加入Cu(NO3)2·
3H2O磁力攪拌0.5～1h，得到負載Cu
2+
的石墨烯混合溶液；步驟4，將步驟1獲得的改性Cu粉加入到步驟3負載Cu
2+
的石墨烯混合溶液中，磁力攪拌0.5～1h，隨后加入Mo，再進一步磁力攪拌0.5～1h，得到GO/Cu
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Mo的混合溶液；步驟5，將抗壞血酸溶液逐滴加入到步驟4獲得的GO/Cu
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Mo混合溶液中，加入NaOH調節pH值至10～12，隨后放入90～100℃水浴鍋中磁力攪拌6～8...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王獻輝，李貞，費媛，許榮富，
申請(專利權)人：西安理工大學，
類型：發明
國別省市：