高導電高耐磨石墨烯/銅基復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬復合材料領域，特別涉及一種高導電高耐磨石墨稀/銅基復合材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]銅及其合金由于具有良好的導電導熱性能，優(yōu)良的鑄造性能和加工性能，已成為應用廣泛的金屬材料，是經濟發(fā)展的重要基礎原材料。但銅和銅合金的強度低、耐熱性差、高溫下易軟化變形和耐磨性能較差，在一定程度上限制了其應用發(fā)展。通過向銅和銅合金基體中引入增強體，能夠在保持基體材料韌性的同時提高其室溫和高溫屈服及抗拉強度，提高疲勞強度、彈性模量、耐磨性等性能，降低基體材料的熱膨脹系數(shù)，很大程度上彌補銅和銅合金性能的不足。
[0003]傳統(tǒng)的銅基復合材料常采用SiC、Al203、Si3N4等顆粒及晶須作為增強體，這些硬質顆粒或晶須本身具有高強耐磨的特點，因此添加這些硬質顆粒既可以強化基體，又可以提高材料的摩擦磨損性能。但是，這些增強體材料的導電性能很差，增強體含量較高時會使鋁基復合材料的導電性能發(fā)生較大程度的下降，復合材料不能兼?zhèn)涓邔щ娕c高耐摩性能。石墨烯是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維材料，既是最薄的材料，也是最強韌的材料，同時它又有很好的彈性，拉伸幅度能達到自身尺寸的20%。石墨烯在力學、電學和熱學等方面都具有奇特而優(yōu)異的性能，如高達130GPa的本征強度，比鋼高100倍，是目前強度最高的材料；理論值為2630m2/g的比表面積；驚人的載流子迀移率(15000cm2.V—1.s—工)和突出的熱導率(5000W.m—1.K—工)。同時，石墨烯作為一類碳材料，還具有良好的自潤滑性能。因此，添加石墨烯既能夠提高銅基體的強度、硬度和熱膨脹穩(wěn)定性，又能夠同時獲得優(yōu)良的導電和耐磨性能。

【發(fā)明內容】

[0004]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明通過選用導電和耐磨性能優(yōu)異的石墨烯作為增強體，解決銅基復合材料高導電性和高耐磨性不能兼?zhèn)涞膯栴}，從而提供一種新型的高導電高耐磨的石墨烯/銅基復合材料及其制備方法。
[0005]技術方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案:
[0006]提供了一種高導電高耐磨石墨烯/銅基復合材料，該復合材料含有下列重量百分比的組分:石墨稀0.5-5.0wt% ,Cr 0-5.0wt%，余量為Cu，增強體在該復合材料中分布均勻，復合材料的組織穩(wěn)定，導電性和耐磨性能優(yōu)異。
[0007]本發(fā)明還提供了一種上述高導電高耐磨石墨烯/銅基復合材料的制備方法，包括氧化石墨烯水溶液制備、復合材料混合粉體的制備及復合材料的燒結三個步驟，具體步驟如下:
[0008](I)氧化石墨烯水溶液的制備:在緩慢電動攪拌情況下，將濃硫酸加入膨脹石墨中，加快電動攪拌速度，逐漸加入高錳酸鉀，水浴升溫至65°C并保溫4h后至混合物變?yōu)槟G色，停止電動攪拌，將墨綠色混合物倒入冰水混合物中冷卻至室溫，加入雙氧水至金黃色，靜至24h，加入鹽酸和蒸餾水，以9500r/min的轉速離心分離，多次加入蒸餾水并離心至離心上清液pH值為6，所獲得離心下濁液即為氧化石墨烯水溶液；
[0009](2)復合材料混合粉體的制備:步驟(I)得到的氧化石墨烯水溶液在電動攪拌時，先加入質量分數(shù)為80 %的水合肼溶液，再加入Cu粉或Cu+Cr粉，攪拌2-4h至泥漿狀，獲得復合材料混合粉體泥漿，隨后將該復合材料混合粉體泥漿置于低溫環(huán)境中冷凍至完全冷凍成冰，然后將凍實的復合材料混合粉體泥漿在冷凍干燥箱中真空冷凍干燥除去水分和水合肼，即得到復合材料混合粉體；
[0010](3)復合材料的燒結:將步驟(2)得到的復合材料混合粉體裝入鋼制模具中，使用粉末壓力機將復合材料混合粉體冷壓成型，然后將冷壓成型的混合粉體置于真空熱壓燒結爐中進行熱壓燒結，冷卻至室溫后，從爐中取出并脫模即得高導電高耐磨石墨烯/銅基復合材料。
[0011]作為優(yōu)選，步驟(2)所述Cu粉和/或Cr粉的粒徑為I_30μπι。
[0012]作為優(yōu)選，步驟(2)所述水合肼溶液的加入量按水合肼溶液與氧化石墨烯水溶液的體積比為1:60計算。
[0013]作為優(yōu)選，步驟(2)所述復合材料混合粉體泥漿的冷凍溫度為-60--40°C，冷凍時間為3_6h。
[0014]作為優(yōu)選，步驟(2)所述真空冷凍干燥的真空度為l-10Pa。
[0015]作為優(yōu)選，步驟(3)所述復合材料混合粉體冷壓成型的壓力為450_550MPa。
[0016]作為優(yōu)選，步驟(3)所述冷壓成型的混合粉體的燒結步驟如下:燒結過程真空度在
0.1Pa以下，施加壓力為45-55MPa，加熱升溫程序設置為:以70-90°C/h的速率升至400°C，再以150-180°C/h的速率升至850-950°C保溫2-3h，待爐溫降至100°C取出，最后使用空氣冷卻至室溫O
[0017]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0018]1.本發(fā)明復合材料的制備工藝簡單，成本低，周期短。
[0019]2.本發(fā)明制備方法中增強體和基體可任意比例混合，可以根據實際需要控制增強體含量，通過采用合理的組分配比和制備方法，大大提高了增強體在基體中的分散均勻性，組織容易控制且穩(wěn)定性好。
[0020]3.復合材料中石墨烯本身具有的自潤滑性能降低了復合材料的摩擦系數(shù)，石墨烯的高導電性提高了復合材料的導電性能，本發(fā)明的石墨烯/銅基復合材料的常溫下的電導率為2.18-6.62MS/m，摩擦系數(shù)為0.028-0.045，磨損率為2.3-3.9 X 10—4mm3/Nm，具有高導電高耐磨性，應用前景廣闊O
【具體實施方式】
[0021]下面結合實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步的說明，但并不局限于此。
[0022]實施例1
[0023]本實施例以生產1.0wt%石墨烯/99.0wt%銅基復合材料(250克)為例，該復合材料含有下列重量百分比的組分:石墨烯1.0wt%，余量為銅。
[0024]該石墨烯/銅基復合材料的制備方法為:
[0025]步驟一:在120r/min轉速下緩慢電動攪拌時，將1500mL濃硫酸加入8g膨脹石墨中，將電動攪拌速度加快至360r/min，再逐漸加入70g高錳酸鉀，水浴升溫至65°C保溫4h后混合物變?yōu)槟G色，停止電動攪拌，將墨綠色混合物倒入5000mL冰水混合物中冷卻至室溫，然后向其加入200mL雙氧水并手動攪拌至金黃色，靜至24h，去除上清液，再加入50mL鹽酸和1500mL蒸餾水，在9500r/min的轉速下離心去除上清液保留下濁液，再向留下的下濁液加入1600mL蒸餾水，離心去除上清液，留下下濁液，反復加入蒸餾水并離心清洗4次至上清液pH值為6后，獲得的離心下濁液即為氧化石墨烯水溶液。
[0026]步驟二:取步驟一得到的氧化石墨稀水溶液357mL，并在240r/min攪速下電動攪拌時，逐滴加入質量分數(shù)為80 %的水合肼溶液5.95mL后，再加入粒徑為2_5μπι的Cu粉247.5g，電動攪拌3h，使之攪拌成泥漿狀，獲得復合材料混合粉體泥漿，隨后將其放入-60 V的低溫環(huán)境中冷凍5h使之完全冷凍成冰，然后將凍實的復合材料混合粉體泥漿使用真空度為IPa的冷凍干燥箱去除水分和水合肼，即得到復合材料混合粉體。
[0027]步驟三:將步驟二得到的復合材料混合粉體裝入直徑為4cm的鋼制模具中，使用粉末壓力機以550MPa的壓強將復合材料混合粉體冷壓成型;然后將冷壓成型的復合材料混合粉體置于真空熱壓燒結爐的石墨模具中進行熱壓燒結，真空度在0.1Pa以下，施加壓力為50MPa，加熱程序為:以70°C/h的速率升至400°C，然后以150°C/h升至900°C并保溫3h后，爐冷至100°C取出空冷至室溫，從爐中取出并脫模即得1.0wt%石墨烯/銅基復合材料。
[0028]該實施例石墨烯/銅基復合材料的性能如下:常溫下的電導率為5.63MS/m，硬度HBff47，該復合材料在施加載荷為20N時的摩擦系數(shù)為0.042，體積磨損率為2.7 X 1^mm3/Nm0
[0029]實施例2:
[0030]本實施例以生產2.5wt%石墨烯/97.5wt%銅基復合材料(250克)為例，該復合材料含有下列重量百分比的組分:石墨烯2.5wt%,余量為銅。
[0031 ]該石墨稀/銅基復合材料的制備方法為:
[0032]