CN105097130A - 一种含有石墨烯的高强度、高导电率铜或铜合金导线的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种含有石墨烯的高强度、高导电率铜或铜合金导线的制备方法。该方法包括如下步骤：1)用粉末冶金工艺或熔炼工艺制备含有增强相的铜或铜合金锭子；2)用变形工艺将铜或铜合金锭子制备成导线；3)铜或铜合金导线于CVD炉中生长一层或多层的石墨烯膜。本发明提供的方法具有制备工艺简单，易于产业化，制备的铜或铜合金导线具有高强度及高导电率的优点，本发明提供的方法制得的铜或铜合金导线在高压及超高压电缆行业具有广阔的应用前景。

Description

一种含有石墨烯的高强度、高导电率铜或铜合金导线的制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料的制备方法，具体涉及一种含有石墨烯的铜或铜合金导线的制备方法。

背景技术

石墨烯是一种新型二维纳米材料，其强度高达1.01Tpa，是结构钢的100倍，而密度却是结构钢的1/5。由于石墨烯密度小，提高金属材料强度的同时还能降低材料的密度。同时石墨烯还具有超高的电子迁移率(200000cm²/V·S)、电导率、热导率(5000W/m·K)、杨氏模量(1100GPa)等优异性能，因此将石墨烯与铝、钛、镁等金属材料复合，预期可以得到轻质高强、兼备导电、导热等功能特性的结构功能一体化的复合材料。

石墨烯具有超高强度的同时，还具有超强的导电性能，是目前导电性最好的材料。如果将石墨烯添加到铜中，制备铜基烯合金，在提高铜强度的同时还能提高铜的导电性能。

据统计，如果铜合金的导电率提高1％，全国每年节省亿千瓦度电；同时，如果同强度提高，就可以实现铜电缆大跨度架空导线的应用。铜合金的强度和导电性在目前阶段技术条件下，已经很难有所提高。因此需要提供一种制备工艺简单、便于工业上大规模推广应用的石墨烯与金属材料复合材料的制备方法。

发明内容

本发明针对上述现有材料与工艺技术中存在的不足提供了一种含有石墨烯的高强度、高导电率铜或铜合金导线的制备方法。其目的是通过本发明方法制备出具有高强度和高导电性的铜或铜合金导线。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种含有石墨烯的高强度、高导电率铜或铜合金导线的制备方法，该方法包括如下步骤：

1)制备含有增强相的铜或铜合金锭

a.配制含0.5％～15％质量百分比计的增强相的铜或铜合金粉混合物；

b.于40～120r/min转速下球磨步骤a所得混合物20～40h；

c.于350～500Mpa下冷压成型，在惰性气体的保护和850～950℃温度下，烧结铜或铜合金锭1～5h；

2)制备铜或铜合金导线

将800～900℃下热挤压铜或铜合金锭得到的Φ5～20mm棒材拉制成Φ0.3～2mm的丝材；

3)在铜或铜合金导线的表面生长石墨烯膜

用“ROLL-TO-ROLL”工艺，将制得的铜或铜合金丝于通甲烷气体的、温度为900～1200℃的CVD炉中至少处理30min，得表面生长1～10层石墨烯膜的铜或铜合金导线。

所述的铜或铜合金导线的制备方法的第一优选技术方案，所述步骤1)的所述熔炼工艺包括：于1200～1220℃下熔炼增强相和铜或铜合金粉的混合物；按熔炼液质量0.3～0.4％的比例加入磷铜脱氧，搅拌后扒渣；于1100～1200℃将熔炼液铸成铜或铜合金锭。

所述的铜或铜合金导线的制备方法的第二优选技术方案，步骤1)中所述增强相选自石墨烯、碳纳米管、陶瓷中的一种或多种材料。

所述的铜或铜合金导线的制备方法的第三优选技术方案，步骤a中所述增强相的质量百分比为0.5％～10％。

所述的铜或铜合金导线的制备方法的第四优选技术方案，步骤a中所述增强相的质量百分比为5％。

所述的铜或铜合金导线的制备方法的第五优选技术方案，步骤b中所述球磨的转速为60r/min。

所述的铜或铜合金导线的制备方法的第六优选技术方案，步骤c中所述成型压力为470MPa。

所述的铜或铜合金导线的制备方法的第七优选技术方案，步骤c中所述烧结的温度为900℃，时间为2h。

所述的铜或铜合金导线的制备方法的第八优选技术方案，步骤3)中所述CVD炉的温度为1000℃。

所述的铜或铜合金导线的制备方法的第九优选技术方案，步骤3)中所述石墨烯膜为3～10层。

与最接近的现有技术比，本发明具有如下效果：

1)本发明方法制备的内部含有增强相、外表面生长石墨烯膜的铜或铜合金导线具有高强度及高导电率；

2)本发明提供的方法工艺简单，易于产业化，在高压及超高压电缆行业中极具应用前景。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

实施例1

一种含有石墨烯的高强度、高导电率铜导线的制备方法，该方法包括如下步骤：

1)制备含有石墨烯的铜锭

a.配制石墨烯和铜粉的混合物，其中石墨烯所占的质量百分比为1％；

b.于60r/min转速下球磨石墨烯与铜粉混合物20h；

c.于350MPa下冷压成型，在惰性气体的保护和850℃温度下，烧结铜锭1h；

2)制备铜导线

将800℃下热挤压铜锭得到的Φ5mm棒材拉制成Φ0.5mm的丝材；

3)在铜导线的表面生长石墨烯膜

用“ROLL-TO-ROLL”工艺，将制得的铜丝于通有甲烷气体的、温度为1000℃的CVD炉中处理30min，得表面生长3层石墨烯膜的铜导线。

实施例2

一种含有石墨烯的高强度、高导电率铜合金导线的制备方法，该方法包括如下步骤：

1)制备含有石墨烯的铜合金锭

a.配制石墨烯和铜合金粉的混合物，其中石墨烯所占的质量百分比为5％；

b.于60r/min转速下球磨石墨烯与铜合金粉混合物25h；

c.于400MPa下冷压成型，在惰性气体的保护和900℃温度下，烧结铜合金锭2h；

2)制备铜合金导线

将850℃下热挤压铜合金锭得到的Φ9.5mm棒材拉制成Φ0.3mm的丝材；

3)在铜合金导线的表面生长石墨烯膜

用“ROLL-TO-ROLL”工艺，将制得的铜合金丝于通有甲烷气体的、温度为1000℃的CVD炉中处理60min，得表面生长5层石墨烯膜的铜合金导线。

实施例3

一种含有石墨烯的高强度、高导电率铜合金导线的制备方法，该方法包括如下步骤：

1)制备含有碳纳米管的铜合金锭

a.配置碳纳米管和铜合金粉的混合物，其中碳纳米管所占的质量百分比为2％；

b.于60r/min转速下球磨碳纳米管与铜合金粉混合物30h；

c.于400MPa下冷压成型，在惰性气体的保护和850℃温度下，烧结铜合金锭3h；

2)制备铜合金导线

将900℃下热挤压铜合金锭得到的Φ20mm棒材拉制成Φ1.8mm的丝材；

3)在铜合金导线的表面生长石墨烯膜

用“ROLL-TO-ROLL”工艺，将制得的铜合金丝于通有甲烷气体的、温度为1000℃的CVD炉中处理80min，得表面生长7层石墨烯膜的铜合金导线。

实施例4

一种含有石墨烯的高强度、高导电率铜合金导线的制备方法，该方法包括如下步骤：

1)制备含有陶瓷的铜合金锭

a.配置陶瓷和铜合金粉混合物，其中陶瓷所占的质量百分比为5％；

b.于60r/min转速下球磨陶瓷与铜合金粉混合物20h；

c.于450MPa下冷压成型，在惰性气体的保护和950℃温度下，烧结铜合金锭1h；

2)制备铜合金导线

将900℃下热挤压铜合金锭得到的Φ12mm棒材拉制成Φ0.8mm的丝材；

3)在铜合金导线的表面生长石墨烯膜

用“ROLL-TO-ROLL”工艺，将制得的铜合金丝于通有甲烷气体的、温度为1000℃的CVD炉中处理100min，得表面生长8层石墨烯膜的铜合金导线。

实施例5

一种含有石墨烯的高强度、高导电率铜导线的制备方法，该方法包括如下步骤：

1)制备含有石墨烯的铜锭

a.配置石墨烯和铜粉的混合物，其中石墨烯所占的质量百分比为10％；

b.于60r/min转速下球磨石墨烯与铜粉混合物40h；

c.于470MPa下冷压成型，在惰性气体的保护和900℃温度下，烧结铜锭2h；

2)制备铜导线

将850℃下热挤压铜锭得到的Φ10mm棒材拉制成Φ0.5mm的丝材；

3)在铜导线的表面生长石墨烯膜

用“ROLL-TO-ROLL”工艺，将制得的铜丝于通有甲烷气体的、温度为1000℃的CVD炉中处理150min，得表面生长10层石墨烯膜的铜导线。

实施例6

一种含有石墨烯的高强度、高导电率铜合金导线的制备方法，该方法包括如下步骤：

1)制备含有石墨烯的铜合金锭

a.配置石墨烯和铜合金粉混合物，其中石墨烯所占的质量百分比为8.5％；

b.于60r/min转速下球磨石墨烯与铜合金粉混合物35h；

c.于500MPa下冷压成型，在惰性气体的保护和850℃温度下，烧结铜合金锭5h；

2)制备铜合金导线

将900℃下热挤压铜合金锭得到的Φ15mm棒材拉制成Φ0.4mm的丝材；

3)在铜合金导线的表面生长石墨烯膜

用“ROLL-TO-ROLL”工艺，将制得的铜合金丝于通有甲烷气体的、温度为1000℃的CVD炉中处理100min，得表面生长6层石墨烯膜的铜合金导线。

实施例7

一种含有石墨烯的高强度、高导电率铜合金导线的制备方法，该方法包括如下步骤：

1)制备含有石墨烯的铜合金锭

a.配置石墨烯和铜合金粉混合物，其中石墨烯所占的质量百分比为5％；

b.于1200℃下熔炼混合物，加入占熔炼液质量0.3％的磷铜进行脱氧，搅拌后扒渣；

c.于1100℃将熔炼液铸成铜或铜合金锭。

2)制备铜合金导线

将900℃下热挤压铜合金锭得到的Φ9.5mm棒材拉制成Φ0.4mm的丝材；

3)在铜合金导线的表面生长石墨烯膜

用“ROLL-TO-ROLL”工艺，将制得的铜合金丝于通有甲烷气体的、温度为1000℃的CVD炉中处理100min，得表面生长6层石墨烯膜的铜合金导线。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种含有石墨烯的高强度、高导电率铜或铜合金导线的制备方法，该方法包括如下步骤：

1)制备含有增强相的铜或铜合金锭

a.配制含0.5％～15％质量百分比计的增强相的铜或铜合金粉混合物；

b.于40～120r/min转速下球磨步骤a所得混合物20～40h；

c.于350～500Mpa下冷压成型，在惰性气体的保护和850～950℃温度下，烧结铜或铜合金锭1～5h；

2)制备铜或铜合金导线

将800～900℃下热挤压铜或铜合金锭得到的Φ5～20mm棒材拉制成Φ0.3～2mm的丝材；

3)在铜或铜合金导线的表面生长石墨烯膜

用“ROLL-TO-ROLL”工艺，将制得的铜或铜合金丝于通甲烷气体的、温度为900～1200℃的CVD炉中至少处理30min，得表面生长1～10层石墨烯膜的铜或铜合金导线。

2.根据权利要求1所述的铜或铜合金导线的制备方法，其特征在于所述步骤1)的所述熔炼工艺包括：于1200～1220℃下熔炼增强相和铜或铜合金粉的混合物；按熔炼液质量0.3～0.4％的比例加入磷铜脱氧，搅拌后扒渣；于1100～1200℃将熔炼液铸成铜或铜合金锭。

3.根据权利要求1所述的铜或铜合金导线的制备方法，其特征在于步骤1)中所述增强相选自石墨烯、碳纳米管、陶瓷中的一种或多种材料。

4.根据权利要求1所述的铜或铜合金导线的制备方法，其特征在于步骤a中所述增强相的质量百分比为0.5％～10％。

5.根据权利要求4所述的铜或铜合金导线的制备方法，其特征在于步骤a中所述增强相的质量百分比为5％。

6.根据权利要求1所述的铜或铜合金导线的制备方法，其特征在于步骤b中所述球磨的转速为60r/min。

7.根据权利要求1所述的铜或铜合金导线的制备方法，其特征在于步骤c中所述成型压力为470MPa。

8.根据权利要求1所述的铜或铜合金导线的制备方法，其特征在于步骤c中所述烧结的温度为900℃，时间为2h。

9.根据权利要求1所述的铜或铜合金导线的制备方法，其特征在于步骤3)中所述CVD炉的温度为1000℃。

10.根据权利要求1所述的铜或铜合金导线的制备方法，其特征在于步骤3)中所述石墨烯膜为3～10层。