銅-石墨烯復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明設(shè)及一種銅-石墨締復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著航空航天、交通、機(jī)械工業(yè)、能源化工、通訊、電氣、電力電子和國(guó)防工業(yè)等領(lǐng) 域的飛速發(fā)展，工業(yè)界對(duì)銅或銅合金的導(dǎo)電性能要求越來越高。為了獲得高導(dǎo)電的銅或銅 合金材料，國(guó)內(nèi)外科學(xué)界與產(chǎn)業(yè)界開展了廣泛的研究，并已開發(fā)出銅銀合金、氧化侶彌散強(qiáng) 化銅等高導(dǎo)電銅合金材料與復(fù)合材料。雖然運(yùn)些合金或復(fù)合材料可滿足高導(dǎo)電的性能要 求，但由于運(yùn)些材料含有貴金屬或制備工藝復(fù)雜，因此運(yùn)些材料得不到廣泛的應(yīng)用。工業(yè)界 對(duì)導(dǎo)電性能優(yōu)良且制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單的銅合金或其復(fù)合材料的需求越來越緊迫。
[0003] 石墨締是碳原子Wsp2雜化連接的單原子層構(gòu)成的新型二維原子晶體，其價(jià)帶與 導(dǎo)帶在費(fèi)米能級(jí)相交，表現(xiàn)出半導(dǎo)體的性質(zhì)而且能隙為零，載流子在費(fèi)米能級(jí)處呈現(xiàn)出一 種線性的色散關(guān)系，具有奇特的性質(zhì)：強(qiáng)度達(dá)130G化、熱導(dǎo)率高達(dá)5150J/(m ? K)、載流子遷 移率達(dá)到1.5X104cm2?V-l?s-l、透明度約97.7%、比表面積理論值為2630mVg，楊氏模量 約為IlOOGPa。
[0004] 現(xiàn)有的銅-石墨締復(fù)合材料的研發(fā)，基本上都集中在導(dǎo)電性能的改善上，后續(xù)的成 型加工性能都不理想，而運(yùn)恰恰形成了銅-石墨締復(fù)合材料的應(yīng)用瓶頸；同時(shí)現(xiàn)有的制備方 法不可避免地會(huì)帶入雜質(zhì)儀，影響銅-石墨締復(fù)合材料的化學(xué)成分與微觀組織，從而對(duì)其綜 合性能造成影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)狀提供一種導(dǎo)電性能好、力學(xué)性 能優(yōu)于純銅且加工性能好的銅-石墨締復(fù)合材料。
[0006] 本發(fā)明所要解決的另一個(gè)技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)狀提供一種導(dǎo)電性能好、 力學(xué)性能優(yōu)于純銅且加工性能好的銅-石墨締復(fù)合材料的制備方法。
[0007] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:該銅-石墨締復(fù)合材料，包括石墨 締和銅，其特征在于所述石墨締 W片狀結(jié)構(gòu)均布在銅基體中，所述石墨締的分布密度為100 片/厘米2至3000片/厘米2。
[000引所述石墨締含量為0.01%~0.30訊1%，余量為化。
[0009] 上述銅-石墨締復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包括下述步驟：
[0010] 1)在氣氣保護(hù)氣氛中將粒徑為450納米~550納米的銅粉和石墨締進(jìn)行球磨，使兩 者混合均勻;所述球磨時(shí)間優(yōu)選為2~4小時(shí)。
[0011] 2)在氣氣保護(hù)下進(jìn)行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)壓力為4噸~8噸，燒結(jié)溫度為850°C~1050 °C，燒結(jié)保溫時(shí)間為3小時(shí)~6小時(shí)；
[001^ 當(dāng)壓力低于4噸時(shí)，即使燒結(jié)溫度超過1050°C，混合粉末經(jīng)6小時(shí)W上的燒結(jié)后也 無法燒結(jié)成完整的巧料，從燒結(jié)爐中取出后巧料發(fā)生碎裂。當(dāng)壓力大于8噸時(shí)，燒結(jié)模具容 易發(fā)生碎裂。因此本發(fā)明的燒結(jié)壓力取4噸~8噸。當(dāng)燒結(jié)溫度低于850°C時(shí)，即使采用8噸的 壓力，并燒結(jié)6小時(shí)W上，燒結(jié)完成后巧料發(fā)生碎裂，沒有形成一個(gè)整體。當(dāng)燒結(jié)溫度超過 1050°C時(shí)，燒結(jié)完成后巧料中銅粉顆粒發(fā)生長(zhǎng)大形成粗大的銅顆粒，影響銅-石墨締復(fù)合材 料的微觀組織。
[0013] 3)在850°C~1050°C下進(jìn)行熱等靜壓，W氣氣做施壓介質(zhì)，熱等靜壓的壓強(qiáng)為 ieOMPa~200MPa，保溫時(shí)間為3小時(shí)~6小時(shí)。
[0014] 當(dāng)熱等靜壓的壓強(qiáng)低于160M化時(shí)，即使燒結(jié)溫度高于1050°C、燒結(jié)時(shí)間超過6小 時(shí)，熱等靜壓后銅-石墨締復(fù)合材料巧料的石墨締分布密度沒有發(fā)生改變，說明壓強(qiáng)低于 160M化時(shí)，熱等靜壓對(duì)提高復(fù)合材料巧料的石墨締分布密度沒有幫助；當(dāng)熱等靜壓的壓強(qiáng) 大于200M化時(shí)，銅-石墨締復(fù)合材料巧料經(jīng)過850°C保溫3小時(shí)熱等靜壓與經(jīng)過1050°C保溫6 小時(shí)熱等靜壓的石墨締分布密度相等。當(dāng)保溫溫度低于850°C，采用200MPaW上的壓強(qiáng)且保 溫6小時(shí)W上，銅-石墨締復(fù)合材料巧料的石墨締分布密度仍然較低；當(dāng)保溫溫度超過1050 °C時(shí)，熱等靜壓后銅-石墨締復(fù)合材料巧料中的銅顆粒發(fā)生長(zhǎng)大現(xiàn)象。熱等靜壓時(shí)間低于3 小時(shí)，銅-石墨締復(fù)合材料巧料的石墨締分布密度提高不明顯；熱等靜壓時(shí)間超過6小時(shí)， 銅-石墨締復(fù)合材料巧料中的銅顆粒發(fā)生長(zhǎng)大。
[00巧]較好的、所述熱壓燒結(jié)過程如下：首先抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到。〇-2化后，W10 ± 1 XV分鐘的速度升溫至所述燒結(jié)溫度后開始保溫并計(jì)時(shí)。
[0016] 本發(fā)明采用球磨混粉的方法使納米級(jí)的銅粉與石墨締混合均勻，熱壓預(yù)燒結(jié)然后 熱等靜壓的方法制備銅-石墨締復(fù)合材料的巧料，其中熱等靜壓步驟可大幅提高石墨締與 銅基體的結(jié)合能力，石墨締與銅基體結(jié)合緊密，且避免了銅的氧化，兩者的結(jié)合強(qiáng)度大大提 高，石墨締 W片狀結(jié)構(gòu)均勻地分布在銅基體中，且使銅-石墨締復(fù)合材料中的石墨締分布密 度可控;所制備得到銅-石墨締巧料冷、熱成型性能優(yōu)良，可通過冷、熱壓力加工的方式制備 銅-石墨締復(fù)合材料線材，從而制備出消費(fèi)電子、電氣、航空航天、高鐵、引線框架與電子接 插件制備領(lǐng)域所需的中強(qiáng)高導(dǎo)銅-石墨締復(fù)合材料線材等型材。
[0017] 本發(fā)明在銅中添加石墨締制成銅-石墨締復(fù)合材料，銅基體可作為導(dǎo)電主體使該 復(fù)合材料的導(dǎo)電性能接近于純銅，而石墨締作為增強(qiáng)相，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度性能均獲得 提高；因此該銅-石墨締復(fù)合材料可廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、電氣、航空航天、高鐵、引線框架 與電子接插件制備領(lǐng)域;本發(fā)明所提供的制備方法適合工業(yè)化、規(guī)?；a(chǎn)。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制備的巧料放大3萬倍的電鏡照片。
【具體實(shí)施方式】
[0019] W下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0020] 實(shí)施例1
[0021] W粒徑為500納米的銅粉與石墨締為原材料，石墨締含量為O.Olwt%，采用氣氣做 保護(hù)氣體進(jìn)行球磨混粉，球磨時(shí)間為3小時(shí)。球磨混粉完成后，在充氣氣保護(hù)的手套箱中把 混合粉末裝入熱壓燒結(jié)模中，把裝有混合粉末的熱壓燒結(jié)模裝入熱壓燒結(jié)爐中，當(dāng)真空度 達(dá)到。(T中a后開始W10± rC/min的速度升溫至850°C，恒溫?zé)Y(jié)，保溫時(shí)間3小時(shí)，整個(gè)燒 結(jié)過程中給混合粉末施加的壓力為4噸。熱壓燒結(jié)完成后，把巧料取出進(jìn)行熱等靜壓，熱等 靜壓W氣氣為施壓氣體，加熱升溫速度為1〇± TC/min。熱等靜壓的工藝為:壓強(qiáng)leOMPa，在 850°C溫度下，保溫3小時(shí)，得到O 50巧料。
[0022] 對(duì)巧料進(jìn)行表面拋光處理，放入掃描電鏡的樣品室，在真空狀態(tài)下進(jìn)行面掃描，得 到的電鏡照片如圖1所示。
[0023] 圖1中標(biāo)號(hào)1為石墨締，其余部分為銅基體。石墨締的分布密度為102片/厘米2,石 墨締的分布密度在掃描電鏡下W面積百分比的方法測(cè)得，在后續(xù)實(shí)施例與比較例中采用同 樣的方法測(cè)石墨締的分布密度。
[0024] 所制O 50巧料經(jīng)熱擠壓制備O 12線巧后進(jìn)行拉伸加工制備線材，所制線材的直徑 為5.0mm。
[0025] 實(shí)施例2
[00%] W粒徑為500納米的銅粉與石墨締為原材料，石墨締含量為0.15wt%，采用氣氣做 保護(hù)氣體進(jìn)行球磨混粉，球磨時(shí)間