一種利用有氧燒結(jié)制備石墨烯/銅復(fù)合材料的方法與流程

本發(fā)明屬于金屬基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及金屬功能材料制備。

背景技術(shù)：

石墨烯因具有極高的強(qiáng)度和優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能（強(qiáng)度為130gpa，載流子遷移率為15000cm²/v·s，導(dǎo)熱系數(shù)為5300w/m·k）而被認(rèn)為是高強(qiáng)高導(dǎo)銅基復(fù)合材料的最佳強(qiáng)化相，但石墨烯均勻分散在銅基體中的難度大和石墨烯與銅的界面結(jié)合性能差是石墨烯強(qiáng)化銅基復(fù)合材料制備上的兩大難題。

在一種利用電化學(xué)沉積制備石墨烯/銅復(fù)合粉的方法中，以電解銅片為陽極，銅箔為陰極，銅鹽、鎳鹽及氧化石墨烯的混合溶液為電解液中進(jìn)行電沉積，陰極沉積所得為石墨烯均勻分散在銅基體中的石墨烯/銅復(fù)合粉，解決了石墨烯均勻分散在銅基體中的難度大的問題。

kim等kimy,leej,yeomms,shinjw,kimh,cuiy,kysarjw,honej,jungy,joens,hansm.strengtheningeffectofsingle-atomic-layergrapheneinmetal-graphenenanolayeredcomposites,naturecommunications,doi:10.1038/ncomms3114,2013.利用化學(xué)氣相沉積法在銅基體表面沉積出交替生長(zhǎng)的單層石墨烯薄膜，從而得到多層的銅基石墨烯復(fù)合材料，其抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1.5gpa。盡管他們不能制備出具有實(shí)用價(jià)值的銅基石墨烯復(fù)合材料，但他們認(rèn)為化學(xué)氣相沉積時(shí)進(jìn)入到材料中的氧會(huì)在燒結(jié)時(shí)生成銅與石墨烯共用氧的界面結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善石墨烯與銅的界面結(jié)合性能，指出了一種制備高性能石墨烯強(qiáng)化銅基復(fù)合材料的方法。實(shí)際上，kim等kimkt,chasi,gemmingt,eckertj,hongsh.theroleofinterfacialoxygenatomsintheenhancedmechanicalpropertiesofcarbon-nanotue-reinforcedmetalmatrixnanocomposites,small,4(11),pp1936-1940,2008.和park等^[3]parkm,kimbh,kims,hands,kimg.improvedbindingbetweencopperandcarbonnanotubesinacompositeusingoxygen-containingfunctionalgroups,carbon,49,pp811-818,2011.

也利用氧改善碳納米管與金屬元素的界面結(jié)合性能。因此形成銅與石墨烯共用氧的界面結(jié)構(gòu)也許是改善石墨烯與銅界面結(jié)合性能的一個(gè)好方法。

由此可見，控制石墨烯/銅復(fù)合材料燒結(jié)時(shí)的氧含量，進(jìn)行有氧燒結(jié)，可以形成銅與石墨烯共用氧的界面結(jié)構(gòu)，對(duì)改善石墨烯/銅復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能具有積極的現(xiàn)實(shí)意義和良好的應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有制備技術(shù)及工藝上的不足，提供一種利用有氧燒結(jié)制備石墨烯/銅復(fù)合材料的方法。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。

本發(fā)明所述的一種采用有氧燒結(jié)方法制備石墨烯/銅復(fù)合材料，按如下步驟。

利用電沉積法制備石墨烯/銅復(fù)合粉，以電解銅片為陽極，銅箔為陰極，可溶性銅鹽、可溶性鎳鹽及氧化石墨烯的混合溶液為電解液，通直流電進(jìn)行電沉積，保持一定的電流密度一段時(shí)間，陰極上沉積所得產(chǎn)物即為石墨烯/銅復(fù)合粉。

用無水乙醇清洗產(chǎn)物，除去殘留雜質(zhì)，再放入真空干燥箱中進(jìn)行烘干，研磨，壓成石墨烯/銅復(fù)合塊體。

在氣氛燒結(jié)爐中，在氧氣和載氣的保護(hù)下，控制氧分壓，燒結(jié)石墨烯/銅復(fù)合塊體，得到石墨烯/銅復(fù)合材料。

所述的可溶性銅鹽為氯化銅，硫酸銅或硝酸銅中的一種。

所述的可溶性鎳鹽為氯化鎳，硫酸鎳或硝酸鎳中的一種。

所述的氧化石墨烯的添加量為0.01%-10%。

所述的可溶性銅鹽與可溶性鎳鹽的質(zhì)量比為5:1-100:1。

所述的電解液濃度為0.01g/ml-1.0g/ml。

所述的電流密度為5a/m²-5000a/m²。

所述的電鍍時(shí)間為2h-48h。

所述的氧分壓為0.01-1.0kpa。

所述的燒結(jié)溫度為700-1200℃。

所述的保溫時(shí)間為20-300min。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是。

（1）本發(fā)明擬解決了石墨烯與銅的界面結(jié)合性能差的問題，通過添加適量氧提高石墨烯與銅基體的結(jié)合性能。

（2）通過控制石墨烯/銅復(fù)合粉中石墨烯的添加量和燒結(jié)時(shí)的氧分壓，在不破壞石墨烯的結(jié)構(gòu)和降低復(fù)合材料的性能的基礎(chǔ)上，提高石墨烯和銅基體的界面結(jié)合性能。

（3）工藝簡(jiǎn)單，操作容易，成本低廉：無水乙醇，載氣等均為常見工業(yè)原料，壓片和燒結(jié)過程均無特殊設(shè)備要求。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1所制備石墨烯/銅復(fù)合粉的x射線光電子能譜譜圖。

圖2為實(shí)施例1所制備石墨烯/銅復(fù)合材料斷口的掃描電鏡照片。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明將通過以下實(shí)施例作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此。

實(shí)施例1。

制備石墨烯/銅復(fù)合材料，應(yīng)按以下步驟進(jìn)行：利用電沉積法制備石墨烯/銅復(fù)合粉，以電解銅片為陽極，銅箔為陰極，可溶性銅鹽硫酸銅（cuso4）及可溶性鎳鹽硫酸鎳（niso4），按銅鹽：鎳鹽=10:1的質(zhì)量比，與氧化石墨烯混合后的溶液為電解液，氧化石墨烯的添加量的體積百分比為0.6%，電解液濃度為0.12g/ml，通直流電進(jìn)行電沉積，保持50a/m²的電流密度24h，陰極上沉積所得產(chǎn)物即為石墨烯/銅復(fù)合粉。用無水乙醇清洗產(chǎn)物，除去殘留雜質(zhì)，再放入真空干燥箱中進(jìn)行烘干，研磨，壓成石墨烯/銅復(fù)合塊體。在氣氛燒結(jié)爐中，在氧氣和氬氣保護(hù)下，控制氧分壓為0.06kpa，800℃保溫120min燒結(jié)石墨烯/銅復(fù)合塊體，得到石墨烯/銅復(fù)合材料。

實(shí)施例2。

利用電沉積法制備石墨烯/銅復(fù)合粉，以電解銅片為陽極，銅箔為陰極，可溶性銅鹽氯化銅（cucl2）及可溶性鎳鹽氯化鎳（nicl2），按銅鹽：鎳鹽=20:1的質(zhì)量比，與氧化石墨烯混合后的溶液為電解液，氧化石墨烯的添加量的體積百分比為1.0%，電解液濃度為0.20g/ml，通直流電進(jìn)行電沉積，保持100a/m²的電流密度48h，陰極上沉積所得產(chǎn)物即為石墨烯/銅復(fù)合粉。用無水乙醇清洗產(chǎn)物，除去殘留雜質(zhì)，再放入真空干燥箱中進(jìn)行烘干，研磨，壓成石墨烯/銅復(fù)合塊體。在氣氛燒結(jié)爐中，在氧氣和氮?dú)獗Ｗo(hù)下，控制氧分壓為0.10kpa，750℃保溫200min燒結(jié)石墨烯/銅復(fù)合塊體，得到石墨烯/銅復(fù)合材料。

實(shí)施例3。

利用電沉積法制備石墨烯/銅復(fù)合粉，以電解銅片為陽極，銅箔為陰極，可溶性銅鹽硝酸銅（cuno3）及可溶性鎳鹽硝酸鎳（nino3），按銅鹽：鎳鹽=15:1的質(zhì)量比，與氧化石墨烯混合后的溶液為電解液，氧化石墨烯的添加量的體積百分比為1.5%，電解液濃度為0.15g/ml，通直流電進(jìn)行電沉積，保持80a/m²的電流密度12h，陰極上沉積所得產(chǎn)物即為石墨烯/銅復(fù)合粉。用無水乙醇清洗產(chǎn)物，除去殘留雜質(zhì)，再放入真空干燥箱中進(jìn)行烘干，研磨，壓成石墨烯/銅復(fù)合塊體。在氣氛燒結(jié)爐中，在氧氣和氮?dú)獗Ｗo(hù)下，控制氧分壓為0.15kpa，850℃保溫100min燒結(jié)石墨烯/銅復(fù)合塊體，得到石墨烯/銅復(fù)合材料。