一种金刚石-石墨烯混杂强化铜基复合材料及其制备方法

1.本发明涉及复合材料技术领域，具体为一种金刚石-石墨烯混杂强化铜基复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.铜在轻工、电气、建筑、国防和机械制造等领域被广泛应用，在有色金属材料消费中仅次于铝。但随着科技的发展，单一的铜金属和现有铜合金很难满足生产需求，从而限制了很多领域的研究进展，所以研制更多具有优良性质的铜基复合材料就很有必要。
3.纳米金刚石是一种纳米材料，具有硬度高。导热性优良、润滑性和耐磨性好等特点，且具有纳米材料的特殊性能，因此，广泛用作复合材料的增强相。石墨烯具有优异的力学性能、极高的电子迁移率、极大的导热率以及优良的光学性能、抗菌等功能性，因此石墨烯在能源、复合材料、电子器件等领域具有重要而广阔的应用前景，已成为一种理想的铜基复合材料强化填料。
4.但是，在应用金刚石、石墨烯制备新型混杂增强铜基复合材料时发现，利用现有的制备方法制备的新型混杂增强铜基复合材料中的增强体均匀性差，从而导致复合材料的性能不佳的问题，且现有的制备复合材料的工艺复杂，进一步降低了复合材料制备的合格率。


技术实现要素：

5.针对背景技术中提出的现有复合材料制备方法在使用过程中存在的不足，本发明提供了一种金刚石-石墨烯混杂强化铜基复合材料及其制备方法，具备复合材料中增强相分布均匀，复合材料性能好，制备复合材料方法简单且制备的符复合材料合格率高的优点，解决了上述背景技术中提出的问题。
6.本发明提供如下技术方案：一种金刚石-石墨烯混杂强化铜基复合材料及其制备方法，包括以下步骤：
7.步骤一：将商业铜粉和纳米金刚石混合在乙醇溶液中，所述金刚石占铜的重量百分比为0.1wt％～2wt％；
8.步骤二：使用星式球磨机将铜粉和金刚石进行复合，使金刚石均匀地嵌入铜粉，并将球形或者无规则铜粉球磨成片状形貌，得到复合粉体；
9.步骤三：对步骤二获得的复合粉体进行抽滤和干燥，干燥方式为空气自然干燥，获得金刚石/片状铜复合粉体；
10.步骤四：将步骤三获得的金刚石/片状铜复合粉体与固体碳源按比例混合，混合介质为乙醇或水；
11.步骤五：将步骤四获得的混合液利用旋转蒸发仪去除混合介质，对于水溶剂，旋转蒸发温度为85～95℃；对于乙醇溶剂，旋转蒸发温度为110～130℃，得到碳源涂覆金刚石/片状铜复合粉体；
12.步骤六：利用高温炉将步骤五获得的复合粉中的碳源碳化为石墨烯，碳化气氛为
氢气、氩气混合气，得到石墨烯-金刚石/铜复合粉体；
13.步骤七：通过放电等离子烧结技术将复合粉体烧结成型，获得石墨烯-金刚石混杂增强铜基复合材料。
14.优选的，所述球磨机的磨球直径为5～20mm，磨球与原料质量比为10:1～20:1，球磨转速为100～200rpm，球磨时间为0.5h～2h。
15.优选的，所述碳源为蔗糖、葡萄糖、萘酚、萘、三苯甲烷、蒽、吡啶、还原橙中的一种或者几种组合。
16.优选的，所述碳源占金刚石/片状铜复合粉体的重量百分比为0.05wt％～1.0wt％。
17.优选的，步骤五中，所述产物低温烘干的温度为50～70℃。
18.优选的，所述碳化温度为700～800℃，碳化时间为5～30min。
19.优选的，所述碳化气氛中氢气占混合气体的体积百分比为5～10vol％。
20.优选的，所述烧结温度为650～750℃，压力40～50mpa，时间5～15min，
21.一种金刚石-石墨烯混杂强化铜基复合材料，所述复合材料为采用如权利要求1-8任意一项所述的金刚石-石墨烯混杂强化铜基复合材料的制备方法所制造的产品。
22.本发明具备以下有益效果：
23.本发明的石墨烯-金刚石混杂增强铜基复合材料制备方法简单，从而降低了复合材料的制作成本，同时本技术的制备方法绿色高效，有利于该制备方法的推广以及复合材料的工业化量产，并且，通过本技术的制备方法获得的复合材料中的增强体分布均匀，具有较高的力学、电学和耐化学腐蚀等性能，复合材料综合性能优异，符合先进高性能金属基复合材料的要求，在航空航天、轨道交通和电子器件等领域具有十分广泛的应用前景。
附图说明
24.图1的a、b为金刚石/铜复合粉体不同倍数下的sem图像
25.图2的a、b为石墨烯-金刚石/铜复合粉体不同倍数下的sem图像
26.图3的a、b为石墨烯-金刚石/铜复合材料不同倍数下背散色形貌
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.一种金刚石-石墨烯混杂强化铜基复合材料的制备方法，步骤如下：
29.步骤一：将商业铜粉(球状或无规则形貌，尺寸5μm～100μm)和纳米金刚石(尺寸50～500nm)以一定的比例(金刚石占铜的0.1wt％～2wt％)混合在乙醇溶液中；
30.步骤二：使用星式球磨机将铜粉和金刚石进行复合，磨球使用直径为5～20mm，磨球与原料质量比为10:1～20:1，球磨转速为100～200rpm，球磨时间为0.5h～2h，利用短时、低速球磨工艺保证金刚石均匀地嵌入铜粉，同时将球形或者无规则铜粉球磨成片状形貌；
31.步骤三：球磨后，对上述复合粉体进行抽滤和干燥，干燥方式为空气自然干燥，最
终获得金刚石/片状铜复合粉体；
32.步骤四：随后，将上述金刚石/片状铜复合粉体与固体碳源(碳源为蔗糖、葡萄糖、萘酚、萘、三苯甲烷、蒽、吡啶、还原橙中的一种或者几种组合，含量为0.05wt％～1.0wt％)混合，混合介质为乙醇或水；
33.步骤五：然后，将上述混合液利用旋转蒸发仪去除混合介质，对于水溶剂，旋转蒸发温度为85～95℃，对于乙醇溶剂，旋转蒸发温度为110～130℃，得到碳源涂覆金刚石/片状铜复合粉体；
34.步骤六：再利用高温炉将复合粉中的碳源碳化为石墨烯，碳化温度为700～800℃，碳化时间为5～30min，碳化气氛为氢气、氩气混合气(氢气占5～10vol％)，即获得石墨烯-金刚石/铜复合粉体；
35.步骤七：最后，通过放电等离子烧结技术将复合粉体烧结成型，烧结温度为650～750℃，压力40～50mpa，时间5～15min，获得石墨烯-金刚石混杂增强铜基复合材料。
36.实施例：采用商业铜粉(5～20μm)和纳米金刚石(300nm)为原料，金刚石占铜粉质量分数为0.3wt％，将二者混入乙醇溶液，利用行星式球磨机进行球磨，磨球直径为5mm、10mm和15mm，配比分别为5:3:2，球料比为15:1，球磨转数为140rpm，球磨时间为60min。球磨后，将上述复合粉体取出，抽滤后自然干燥，获得均匀嵌入铜粉表面的金刚石/片状铜复合粉体，如图1所示。
37.将上述金刚石/片状铜复合粉体与0.1wt％的固体碳源萘酚混合，混合介质为乙醇。对上述混合液进行超声处理(20min)，然后利用旋转蒸发去除乙醇溶剂，旋转蒸发时间为20min，温度为130℃。
38.将上述干燥的粉体置于管式炉中进行碳化，碳化温度为800℃，时间为10min，保护气氛为h2(17％)/ar。即获得石墨烯-金刚石/铜复合粉体，如图2所示，可见，石墨烯和金刚石均能均匀的分散于铜粉中。
39.将上述复合粉体进行sps烧结，烧结温度700℃，时间为5min，烧结压力为40mpa，即获得石墨烯-金刚石/铜复合材料。如图3所示，复合材料中石墨烯和金刚石均能均匀的分散于铜基体中，并且沿垂直于烧结压力方向呈现一定程度的定向排列。
40.作为对比材料，将纯铜粉直接进行sps烧结。与纯铜相比，所获得的复合材料硬度可提高55％。在3.5wt％的nacl溶液中进行电化学腐蚀性能测试，抗腐蚀效率可提高58％。
41.采用上述制备方法制备，通过本技术的制备方法获得的石墨烯-金刚石混杂增强铜基复合材料中金刚石和石墨烯均能够在铜基体中分布均匀，复合材料致密度高，且具有较高的力学性能、电学性能和耐化学腐蚀等性能。
42.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
43.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换
和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。