一种利用微波制备石墨烯/铜复合粉体及复合材料的方法

本发明属于无机合成和粉末冶金；具体涉及一种利用微波进行石墨烯/铜复合粉体及其制备方法；一种利用微波进行石墨烯/铜复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、石墨烯/铜复合材料是一类具有高导电性、高导热性、超高强度、耐摩擦性能优良的铜基材料，有望在电子封装、新能源发电、电力传输、汽车和船舶行业等领域得到广泛应用。目前，制备石墨烯/铜复合材料的方法也发展出了很多种，其中较为常用的有化学气相沉积法、电沉积法、粉末冶金法等。

2、化学气相沉积法是一种制备石墨烯/铜复合材料的常用方法，通过控制反应条件，交替进行铜金属层和石墨烯层的沉积获得石墨烯/铜复合材料(nat commun,2013,4:2114)。这种方法可以获得高质量的石墨烯/铜复合材料，其压缩强度可以达到1.5gpa，但制备过程需要严格控制反应条件，且制备出的复合材料尺寸较小，不适用于低成本大批量制备。

3、电沉积法是另一种常用的制备石墨烯/铜复合材料的方法，其制备过程主要是将金属铜盐与氧化石墨烯溶液等碳源均匀混合，利用电化学沉积的方法，经过热处理还原后，获得石墨烯/铜复合粉体，随后烧结制备得到石墨烯/铜复合材料(journal ofalloys andcompounds,2022,924)。这种方法可以大量制备石墨烯/铜复合材料，但制备过程既需要电化学沉积，又需要热处理还原处理，整个制备过程较为复杂。

4、粉末冶金法是将石墨烯粉与铜粉通过球磨等方式混合，先获得石墨烯/铜复合粉体，然后经过压制与烧结进行致密化而获得石墨烯增强铜基复合材料的一种方法(rscadvances,2015,5:51193-51200)。其优点是对基体粉末与增强体的含量、尺寸、形状等基本没有限制，具有较高的可设计性。这种方法存在的问题是混料过程易破坏石墨烯结构的完整性，降低石墨烯的强化效果。

5、近年来发展出的原位自生法制备石墨烯/铜复合材料具有界面结合力强、可控性好等优点，是一种有前途的制备方法。原位生长法是在复合粉体制备阶段选用合适的碳源作为前驱体，后经高温碳化处理后，在铜表面的催化作用下原位生长出石墨烯，能够显著提高石墨烯增强体与铜基体的界面结合强度(nat commun,2020,11:2775)。但目前原位生长法仍存在问题，其中制备石墨烯/铜复合粉体需要经过高温处理设备长时间处理，耗能高且实验周期较长，易造成铜粉晶粒在热处理过程中长大，严重影响后续制备的石墨烯/铜复合材料力学性能。

技术实现思路

1、本发明提出了一种利用微波制备具有优异石墨烯质量的石墨烯/铜复合粉体及复合材料的简便方法。本发明以铜粉和有机物分子为原料，通过将铜粉与有机物分子混合，在铜粉表面形成一层有机物分子包覆层，得到有机物/铜复合粉体，这有利于石墨烯的均匀产生，同时防止铜粉在微波过程中发生氧化。然后将包覆完成后的有机物/铜复合粉体，放入石英容器中，充入惰性气体后密封，随后放入微波设备中进行微波处理。在微波处理过程中，通过调控微波功率和处理时间，优化石墨烯的生长工艺，获得质量较好的石墨烯/铜复合粉体。随后进行烧结和变形处理，获得具有优异性能的石墨烯/铜复合材料。本发明要解决现有石墨烯/铜复合粉体制备过程需要经过真空热处理炉设备，且耗时长，耗能高的问题，通过常见的微波设备即可获得高质量的石墨烯/铜复合粉体，为制备具有优异性能的石墨烯/铜复合材料提供石墨烯/铜复合粉体原料。

2、为了解决上述技术问题；本发明提供了一种利用微波制备石墨烯/铜复合材料的方法；具体制备方法是按下述操作进行的：

3、首先将有机物按一定比例与铜粉进行均匀混合；然后放入石英容器中，充入惰性气体，用盖密封，置于微波设备中，调控微波功率和微波时间，待粉体冷却后获得石墨烯/铜复合粉体。石墨烯/铜复合粉体后续可通过烧结，或者烧结和变形处理获得具有优异性能的石墨烯/铜复合材料。

4、进一步地限定，所述有机物主要为元素组成为碳、氢；碳、氢、氧；碳、氢、氮的有机物；更进一步地限定，所述有机物为以聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯为代表的大分子有机物，及以油酸、油胺为代表的小分子有机物中的一种或多种按任意比的组合。

5、进一步地限定，有机物与铜粉的质量比为1：(1-1000)。

6、进一步地限定，铜粉的粒径为20目-15000目。

7、进一步地限定，有机物/铜复合粉体混合方式包括球磨，旋转蒸发，机械搅拌。

8、更进一步地限定，旋转蒸发用的溶剂为n，n-二甲基甲酰胺、环己烷或无水乙醇。

9、更进一步地限定，球料比为(10-20)∶1，球磨机转速为100r/min～600r/min，球磨时间为1h～10h。

10、进一步地限定，惰性气体为氩气、氮气中的一种。

11、进一步地限定，所述石英容器包括带盖的石英舟、石英坩埚、刚玉舟、刚玉坩埚。

12、进一步地限定，所述微波设备包括微波加热机，微波加热箱，家用微波炉。

13、进一步地限定，所述微波加热功率范围100瓦-200000瓦，微波加热时间1min-30min。

14、进一步地限定，烧结为放电等离子体烧结、真空热压烧结、真空烧结。

15、进一步地限定，烧结是在温度为400℃～1050℃、压力为0mpa-200 mpa下保温。

16、进一步地限定，采用轧制或挤压进行变形处理。

17、进一步地限定，变形的温度控制在0-900℃，变形比为0-95％。

18、上述任意方法制备的石墨烯/铜复合粉体及复合材料。

19、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

20、相比于传统高温炉热处理方法，利用微波处理具有反应速度快、温度升降速度大、反应条件易于控制等优点。此外，微波处理过程无需高温炉，可以减少能源消耗和环境污染，实现绿色环保制备石墨烯/铜复合粉体的目的。

21、本发明有望解决常见石墨烯/铜复合粉体制备过程中真空或气氛热处理炉设备耗能高且操作复杂的问题，本发明通过常见的微波炉即可获得高质量的石墨烯/铜复合粉体，为批量低成本制备具有优异性能的石墨烯/铜复合材料提供了解决方案。

22、为了能够更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明详细说明与附图，然而所附的附图仅提供参考和说明之用，并非用来对本发明加以限制。

技术特征：

1.一种利用微波制备石墨烯/铜复合粉体的方法，其特征在于，所述方法是通过下述步骤实现的：

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述有机物为聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、油酸、油胺中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，有机物与铜粉的质量比为1∶(1-1000)；铜粉的粒径为20目-15000目。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，采用机械搅拌、球磨、旋转蒸发进行混合。

5.根据权利要求7所述方法，其特征在于，所述旋转蒸发用的溶剂为n，n-二甲基甲酰胺、环己烷或无水乙醇；所述球磨的工艺参数：球料比为(10-20)∶1，球磨机转速为100r/min～600r/min，球磨时间为1h～10h。

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述微波设备为微波加热机、微波加热箱、家用微波炉；所述微波加热功率控制在100瓦-200000瓦，微波加热时间为1min-30min。

7.一种权利要求1-6任意一项所述方法制备的石墨烯/铜复合粉体。

8.一种石墨烯/铜复合材料的制备方法，其特征在于，将权利要求1-6任意一项所述方法制备的石墨烯/铜复合粉体经过烧结，或者烧结后变形处理，即得到石墨烯/铜复合材料。

9.根据权利要求8所述方法，其特征在于，烧结为放电等离子体烧结、真空热压烧结、真空烧结；烧结是在温度为400℃～1050℃、压力为0mpa-200 mpa下保温；采用轧制或挤压进行变形处理；变形的温度控制在0-900℃，变形比为0-95％。

10.一种权利要求8或9所述方法制备的石墨烯/铜复合材料。

技术总结
本发明提供了一种利用微波制备石墨烯/铜复合粉体及复合材料的方法；属于无机合成和粉末冶金技术领域。本发明要解决现有石墨烯/铜复合粉体制备过程需要经过真空热处理设备耗时长，耗能高的问题。本发明方法：用有机物均匀包裹铜粉，然后放入石英容器中，充入惰性气体，置于微波设备中，调控微波功率和微波时间，待粉体冷却后获得石墨烯/铜复合粉体，经过烧结和变形处理后获得石墨烯/铜复合材料。本发明方法获得了高质量的石墨烯/铜复合粉体和具有优异力学和电学性能的石墨烯/铜复合材料。

技术研发人员：王黎东,邢昌盛,张童,简雨,费维栋
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29