CN105886829A - 一种石墨烯增强铜基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨烯增强铜基复合材料，包括重量百分比如下组分：经表面改性的石墨烯0.5~5%、石墨2~5%、Ti3SiC2 6~15%、余量为铜；所述经表面改性的石墨烯是没食子酸改性的石墨烯。本发明所述铜基复合材料中，经表面修饰的石墨烯分散性好，杂质含量低，且保持了完整的表面形貌，与石墨粉末、Ti₃SiC₂粉末和铜粉末发挥共增强作用，显著提高了铜基复合材料的力学及耐摩擦磨损性能，同时还具有优异的强度和耐冲击性。本发明还公开了所述铜基复合材料的制备方法。该方法工艺简单，易于生产，具有广阔的应用前景。

Description

一种石墨烯增强铜基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于复合材料的制备技术领域，涉及一种铜基复合材料，特别涉及一种石墨烯增强铜基复合材料及其制备方法。

背景技术

2004年，来自曼彻斯特大学的Andre Geim和Konstantin Novoselov首次利用机械剥离法成功分离出稳定的石墨烯，石墨烯便以其独特的二维结构和独特的电学、光学、力学等性能深受广大学者的关注。石墨烯具有极高的机械强度、理想的弹性、低的热膨胀系数、尺寸小等优良的特性使其成了最具潜力的增强体材料。

石墨烯在增强高分子复合材料方面取得了很快的发展，但在增强金属基复合材料方面还存在许多困难。这其中的主要困难在于石墨烯像其它纳米材料一样具有很大的比表面积和比表面能，存在很大的范德华力，容易聚集堆积，很难在金属基体中均匀分散。另一方面，石墨烯的表面活性较低，与金属基体的润湿性差，这造成了其与金属基体之间的界面结合较差。这些因素会严重影响金属基复合材料的密度，及其力学、电学、摩擦磨损等性能，尤其是摩擦磨损性能。在金属复合材料领域中，铜基复合材料被广泛用作电子元件材料、滑动材料、触头材料、热交换材料等。因此，石墨烯在增强铜基复合材料方面最受关注。

为解决以上问题，目前一些研究致力于先对石墨烯进行改性镀铜或者镀镍，然后再采用粉末冶金法制备石墨烯增强铜基复合材料。但是对石墨烯进行改性镀铜或镀镍，工艺复杂，能耗大。也有一些研究致力于采用强酸或者混酸对石墨烯进行预处理，但是这种处理方式对石墨烯具有一定的破坏作用，会将石墨烯剪切为极小的石墨烯，破坏其比表面，且常需要较高温度和较长时间，同时处理时容易产生污染性的气体。

中国发明专利申请CN104711443A公开了一种石墨烯/铜复合材料及其制备方法，将铜镍合金粉与鳞片石墨共同机械球磨，机械球磨加入酒精作为湿磨介质，借助机械力从石墨中剥离出石墨烯，初步得到石墨烯/铜复合粉，再通过粉末冶金、热挤压、轧制技术得到石墨烯/铜的复合材料。该方法无法保证鳞片石墨完全剥离成石墨烯片，会存在石墨团聚的问题。

中国发明专利申请CN103736993A公开了一种石墨烯表面改性及分散方法，所述方法包括如下步骤：步骤一：称取五水合硫酸铜、硫酸镍、柠檬酸、硼酸配制成混合溶液A，搅拌；步骤二：将混合溶液A放置于磁力搅拌水浴锅中加热，再加入氧化石墨烯溶液，搅拌，制成混合溶液B；步骤三：向溶液B中加入次亚磷酸钠溶液，搅拌，进行加速反应，超声分散处理，即可获得均匀分散的石墨烯/铜复合材料溶液；步骤五：用微孔过滤膜对溶液进行反复抽滤，多次洗涤至pH呈中性，真空干燥，还原。此方法步骤繁杂，且会存在还原不彻底残留氧化石墨烯的可能；同时处理过程使用到多种试剂，其中硼酸对人体有毒害作用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的石墨烯和金属复合困难或复合效果不佳的不足，提供一种石墨烯增强铜基复合材料。该铜基复合材料由经表面改性的石墨烯、石墨粉末、Ti₃SiC₂粉末和铜粉末组成，其中经表面改性的石墨烯是没食子酸改性的石墨烯。该改性石墨烯是将石墨烯加入没食子酸水溶液改性制成，具有分散性好，杂质含量低的特点，且保持了完整的比表面。该铜基复合材料中各组分的性能产生共增强的作用，显著提高了铜基复合材料的耐摩擦磨损性能以及强度和抗冲击性，降低了铜基复合材料的密度。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种石墨烯增强铜基复合材料，包括重量百分比如下组分：经表面改性的石墨烯0.5～5％、石墨2～5％、Ti₃SiC₂ 6～15％、余量为铜；

所述经表面改性的石墨烯是没食子酸改性的石墨烯。具体来说，是将石墨烯加入没食子酸水溶液改性得到的石墨烯。

没食子酸，又称倍酸、五倍子酸，其化学名为3,4,5-三羟基苯甲酸，化学式为C₆H₂(OH)₃COOH，化学结构式如式Ⅰ所示，属于多酚类物质，亦属于有机酸。

没食子酸通过自身酚羟基与石墨烯表面缺陷位点发生结合，从而对石墨烯进行表面修饰，改善其分散性能，同时由于羧基及羟基等官能团的存在，还可在表面接枝更多官能团及生物功能大分子。另一方面，没食子酸也可以通过非化学作用吸附于石墨烯表面，通过没食子酸中苯环上的π键和石墨烯上的π键结合实现吸附。二者共同作用更有助于提高石墨烯的分散性，且不会对石墨烯发生剪切作用，造成机械损伤或化学损伤。反之，直接将未处理的石墨烯和铜粉末制成铜基复合材料，基体中会出现因石墨烯团聚而形成的孔隙，导致材料的综合性能降低，达不到很好的增强效果。

申请人经多次实验发现，当铜基复合材料中各组分的重量百分比含量为经表面改性的石墨烯0.5～5％、石墨粉末2～5％、Ti₃SiC₂粉末6～15％、余量为铜粉末时，各组分的性能可产生共增强的作用，且石墨烯与铜基体之间形成较好的界面结合，进而增强铜基复合材料的耐摩擦磨损性能以及强度和耐冲击性。石墨具有保护铜基体，抗熔焊的作用，虽然石墨与铜基体不润湿，但是石墨的加入会改变铜的摩擦磨损机制，由纯铜的粘着磨损转为复合材料的磨粒磨损，且石墨层片状结构，具有自润滑性，能在摩擦副之间形成碳膜，从而起到减磨的作用。Ti₃SiC₂与铜基体润湿性好，层片状结构在提高复合材料的摩擦磨损性能上起到很大的作用。石墨烯具有超常的力学性能，当石墨烯与铜基体之间形成较好的界面结合，外界加载力时，应力会通过界面传递至石墨烯，从而达到增强机体的作用。

相应的可以采用以下重量百分比原料制备上述石墨烯增强铜基复合材料：经表面改性的石墨烯0.5～5％、石墨粉末2～5％、Ti₃SiC₂粉末6～15％、余量为铜粉末。制备原料在成型过程中基本保持无损耗，或生产工艺上可以接受的损耗，最终加工制备得到的相应的复合材料。

优选地，铜基复合材料按重量百分比包括如下组分：经表面改性的石墨烯0.5～2％、石墨粉末2～4％、Ti₃SiC₂粉末8～12％、余量为铜粉末。最佳优选地，铜基复合材料按重量百分比包括如下组分：经表面改性的石墨烯0.5％、石墨粉末3％、Ti₃SiC₂粉末10％、余量为铜粉末。

进一步优选的，所述经表面改性的石墨烯经以下方法制成：将石墨烯加入到没食子酸水溶液中，分散均匀，静置，过滤，取滤渣进行真空干燥，得到经表面修饰的石墨烯。

优选地，所述没食子酸水溶液由去离子水配制，没食子酸水溶液中没食子酸的浓度为3～18mg/mL。没食子酸，一方面通过自身酚羟基与石墨烯表面缺陷位点发生结合，接枝官能团从而对石墨烯进行表面修饰；另一方面，是利用其大π共轭结构与石墨烯发生π-π堆积作用，从而对石墨烯进行修饰，提高石墨烯的分散性。申请人经多次试验发现，当没食子酸水溶液的浓度小于3mg/mL时，石墨烯表面会由于未嫁接上更多的官能团，从而影响其分散性的提高。随着没食子酸水溶液浓度的增大，石墨烯表面吸附的没食子酸的量会增加，当没食子酸水溶液的浓度大于18mg/mL时，石墨烯表面吸附的没食子酸的量超过其在水中的最大溶解度(11.49mg/mL)，反而对没食子酸与石墨烯之间的π-π吸附作用产生非常不利的影响，使石墨烯表面的没食子酸发生脱附，出现修饰量降低的现象，无法起到提高石墨烯分散性的作用。优选地，所述没食子酸水溶液的浓度为5～11.49mg/mL，最佳优选地，所述没食子酸水溶液的浓度为10mg/mL。

优选地，所述石墨烯的重量与没食子酸水溶液的体积之比为0.05～0.5g:20～60mL；进一步优选为0.05～0.2g:30～50mL；最佳优选为0.1g:40mL。

优选的，所述石墨烯为单层石墨烯或多层石墨烯。采用石墨烯增强铜基复合材料的时候，由于复合材料结合的特点，使用单层的石墨烯的时候增强效果突出，但是石墨烯在铜基体中的含量提高空间受到空间分布的限制，增强效果难以达到最佳水平。使用多层石墨烯的时候，虽然石墨烯本身具有多层的结构，但是石墨烯可以更好的达到增强复合材料的饱和水平，使得复合材料的性能提升效果更加显著。

优选地，所述静置的时间为12～30h。没食子酸较强酸而言，性质较为温和，其改性石墨烯的过程主要是温和的接枝键合增强，以及范德华力的吸附作用。当静置时间少于12h，反应时间过短，不利于没食子酸与石墨烯的充分结合；当静置时间长于30h，其修饰作用不再增加，而且长时间在溶液中沉淀还会使得已经和石墨烯结合的没食子酸部分脱落，降低增强效果。优选的，静置时间为20～25h；当静置的时间为20-25小时的时候，没食子酸和石墨烯的结合量达到最大值，且结合强度良好，对于石墨烯的改性增强效果最佳。最佳优选静置时间24小时。

优选地，所述真空干燥的温度为60℃～80℃；当真空干燥的温度低于60℃，干燥效率低；当干燥温度高于80℃，会导致接枝官能团的损坏以及没食子酸与石墨烯之间非化学作用的减弱，甚至可能会破坏修饰改性的结合部位，降低改性石墨烯的分散性能。进一步优选真空干燥温度为60～70℃，最佳优选为60℃。

优选地，所述真空干燥的时间为1～3h。当真空干燥时间少于1h，石墨烯干燥不完全，影响石墨烯的性能及对其表征；当干燥时间长于3h，会导致接枝官能团的损坏以及没食子酸与石墨烯之间非化学作用的减弱。进一步优选为1～2h，最佳优选为2h。

通过以上对没食子酸水溶液浓度、石墨烯的重量与没食子酸水溶液的体积之比、静止时间、真空干燥温度和时间的优选，可以进一步提高经表面改性的石墨烯的分散性，同时降低石墨烯的杂质含量，进而显著提高铜基复合材料的耐摩擦磨损性能以及强度和耐冲击性，降低其密度。

本发明的再一目的是提供所述铜基复合材料的制备方法。

一种铜基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将石墨烯加入到没食子酸水溶液中，分散均匀，静置，过滤，取滤渣进行真空干燥，得到经表面修饰的石墨烯。

(2)将经表面修饰的石墨烯与铜粉末、石墨粉末、Ti₃SiC₂粉末进行球磨混粉，得复合粉末。

(3)将复合粉末进行热压烧结，冷却，再热等静压处理得石墨烯增强铜基复合材料。

优选地，所述步骤(2)中球磨采用玛瑙球和玛瑙球罐，球磨转速为150～300转/min，球磨时间为40～60min。球墨转速低于150转/min，球磨时间低于40min，会导致复合粉末混合不均，会使得后续的热压烧结过程中出现“偏析”现象；球墨转速高于300转/min，球磨时间高于60min，对石墨烯会有明显的剪切作用。进一步优选地，球磨转速为200转/min，球磨时间为50min。控制好球磨的转速、时间参数既可以保证原料的混合均匀性，又可以更好的控制物料在后续的烧结成型过程中得到的产品的性质。

优选地，所述步骤(2)中球磨采用介质为叔丁醇，其粉末干燥方式为冷冻干燥。

优选地，所述步骤(3)热压烧结的温度为900～1000℃；当烧结温度低于900℃会导致烧结不完整，铜颗粒之间不能形成结合牢固的烧结颈，达不到致密的目的；烧结温度高于1000℃，会有Ti₃SiC₂热分解现象，会有脆相TiC生成。进一步优选为950℃。

优选地，所述步骤(3)中热压烧结的压力为25～40MPa；烧结压力低于25Mpa，复合材料致密过程中铜颗粒之间的结合力弱，材料容易出现缺陷；烧结压力高于40Mpa，材料内应力大，容易导致材料开裂。进一步优选地，热压烧结的压力为25～30MPa，最佳优选为28MPa。

优选地，所述步骤(3)中热压烧结的时间为1～4h；烧结时间短于1h，会导致烧结不完整，各相之间不能形成良好的结合，起不到增强的作用；烧结时间长于4h，会存在铜颗粒异常长大的现象，铜基体呈大片块状，增强相与铜基体之间的结合面减少，增强效果不理想。进一步优选为1～3h；最佳优选为2h。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)本发明所述铜基复合材料中，采用的是经表面修饰的石墨烯，与未经没食子酸处理过的石墨烯相比，该经表面修饰的石墨烯分散性好，杂质含量低。相应的石墨烯分散性好，与铜基体结合面积大，增强效果好；更少的杂质能够有效的避免某些杂质元素导致基体晶粒异常长大的现象。

(2)本发明应用的经过表面修饰的石墨烯，保持了石墨烯的完整性，克服了传统强酸处理后石墨烯的表面被破坏严重，石墨烯高的大的比表面积是其桥连作用形成的关键，尤其当材料受到外界应力时，大的界面结合能起到应力传递作用，降低应力集中，减少缺陷的出现。

(3)本发明铜基复合材料由经表面修饰的石墨烯、石墨粉末、Ti₃SiC₂粉末和铜粉末组成；同时控制各组分的重量百分比含量，使各组分的性能产生共增强的作用，显著提高了铜基复合材料的耐摩擦磨损性能以及强度和耐冲击性，降低了其密度。

(4)本发明的增强铜基复合材料中应用的改性石墨烯，生产制备方法简单可靠，易生产，而且该方法制备改性石墨烯的过程中不产生废水、废酸等污染物。

附图说明：

图1是经不同浓度没食子酸水溶液处理后的石墨烯傅里叶变换红外光谱图。

图2是实施例5～7经过球磨混料后石墨烯含量不同的复合材料混料后SEM图。

图3是实施例6经过球磨混料后复合粉末EDS图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

本发明实施例中涉及的单层石墨烯和少层石墨烯购于中国科学院成都有机化学有限公司。

实施例1

将少层石墨烯加入到10mg/mL的没食子酸水溶液中，分散均匀，其中石墨烯的重量与没食子酸水溶液的体积之比为0.1g：40mL；静置24h，过滤，取滤渣在60℃下真空干燥2h，得到经表面修饰的石墨烯。

将本实施例1制备的经表面修饰的石墨烯0.1g均匀分散在100mL去离子水中，静置5天后，在重力作用下沉淀逐渐增多，但石墨烯之间仍然保持分散状态，没有发生团聚；同时以未经修饰的石墨烯做对比，静置1天后即出现沉淀，且石墨烯之间发生团聚现象，表明实施例1制备的经表面修饰的石墨烯具有优异的分散性。

所述少层石墨烯比表面在400～700m²/g，厚度在0.55～3.74nm，具有高的比表面的特点。

实施例2

将少层石墨烯加入到3mg/mL的没食子酸水溶液中，分散均匀，其中石墨烯的重量与没食子酸水溶液的体积之比为0.5g：60mL；静置12h，过滤，取滤渣在70℃下真空干燥1h，得到经表面修饰的石墨烯。

将本实施例制备的经表面修饰的石墨烯0.1g均匀分散在100mL去离子水中，静置3天后，在重力作用下沉淀逐渐增多，但石墨烯之间仍然保持分散状态，没有发生团聚。表明实施例2制备的经表面修饰的石墨烯具有优异的分散性。

实施例3

将少层石墨烯加入到18mg/mL的没食子酸水溶液(过饱和溶液)中，分散均匀，其中石墨烯的重量与没食子酸水溶液的体积之比为0.05g：20mL；静置30h，过滤，取滤渣在80℃下真空干燥3h，得到经表面修饰的石墨烯。

将本实施例制备的经表面修饰的石墨烯0.1g均匀分散在100mL去离子水中，静置2天后，在重力作用下沉淀逐渐增多，但石墨烯之间仍然保持分散状态，没有发生团聚。表明实施例2制备的经表面修饰的石墨烯具有优异的分散性。

对比实施例1～3可知，实施例1制备的经表面修饰的石墨烯静置5天后才在重力的作用下逐渐生成沉淀，且石墨烯之间仍然很好的保持分散状态，没有发生团聚，而实施例2和3制备的经表面修饰的石墨烯在2～3天后即逐渐在重力作用下生成沉淀，因此实施例1所述的方法明显优于实施例2和3所述的方法。

实施例4

在实施例1的基础上讨论没食子酸水溶液的浓度对石墨烯分散性的影响。

改变没食子酸水溶液的浓度为5mg/mL、20mg/mL(过饱和溶液)，其余均同实施例1，分别得到经表面修饰的石墨烯。

将本实施例制备的经表面修饰的石墨烯(5mg/mL)0.1g均匀分散在100mL去离子水中，静置3天后，在重力作用下沉淀逐渐增多，但石墨烯之间仍然保持分散状态，没有发生团聚。

将本实施例制备的经表面修饰的石墨烯(20mg/mL)0.1g均匀分散在100mL去离子水中，静置1天后，在重力作用下沉淀逐渐增多，石墨烯逐渐发生轻微的团聚现象。表明当没食子酸水溶液的浓度为20mg/mL时，其对石墨烯的修饰作用明显降低。

图1为经不同浓度没食子酸水溶液处理后的石墨烯傅里叶红外光谱图。同时，采用未经没食子酸水溶液处理的石墨烯(纯CNFs)做对比。其中，10mg/mL没食子酸处理的石墨烯样品为实施例1制备得到的改性石墨烯样品。5mg/mL、20mg/mL没食子酸处理的样品为本实施例4按照实施例1的方案相类似的工艺制备得到的样品。

由图1可以看出，未经没食子酸水溶液处理的石墨烯的傅里叶变换红外光谱图峰形较宽并且峰值较弱；而经没食子酸水溶液(5mg/mL、10mg/mL)处理后的石墨烯在3430cm^-1和1640cm^-1附近出现较强的吸收峰，分别属于-O-H的伸缩振动吸收峰和弯曲振动吸收峰，其中10mg/mL的峰值最强。由此可见石墨烯表面嫁接了更多的官能团或者是没食子酸通过非化学作用吸附于石墨烯表面，从而提高了石墨烯的分散性。而继续增大没食子酸水溶液的浓度至20mg/mL，3430cm^-1和1640cm^-1附近的吸收峰已基本同未经没食子酸水溶液处理的石墨烯，这是由于石墨烯表面吸附的没食子酸的量超过其在水中的最大溶解度，从而对没食子酸与石墨烯之间的π-π吸附作用产生非常不利的影响，使石墨烯表面的没食子酸发生脱附，出现修饰量降低的现象，进而影响石墨烯的分散性。

根据实施例4可知，经10mg/mL没食子酸水溶液处理的石墨烯，静置五天后才在重力的作用下逐渐生成沉淀，且石墨烯之间仍然保持很好的分散状态，没有发生团聚，而经5mg/mL没食子酸水溶液处理后的石墨烯在3天后即逐渐在重力作用下生成沉淀，经20mg/mL没食子酸水溶液处理后的石墨烯静置1天后，在重力作用下沉淀逐渐增多，石墨烯逐渐发生轻微的团聚现象。同时根据傅里叶红外光谱图可知，经10mg/mL没食子酸水溶液处理后的石墨烯表面具有更多的官能团，从而进一步提高了石墨烯的分散性。综上，20mg/mL与5mg/mL和10mg/mL相比，差异明显，取得了预料不到的效果，因此10mg/mL为本发明没食子酸水溶液的最佳浓度。

实施例5

取实施例1制得的经表面修饰的石墨烯；(2)按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将0.5份石墨烯、3份石墨粉末、10份Ti₃SiC₂粉末、86.5份铜粉末进行球磨混粉，转速为200转/min，球磨时间为50min，使粉末混合均匀，得复合粉末；(3)将复合粉末进行热压烧结2h，热压烧结的温度为950℃、压力为28MPa，随炉冷却，得到铜基复合块体材料；(4)将得到的块体材料进行热等静压2h，热等静压烧结温度为900℃、压力为100MPa，快冷，得石墨烯增强铜基复合材料。

实施例6

取实施例2制得的经表面修饰的石墨烯；(2)按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将1份石墨烯、5份石墨粉末、15份Ti₃SiC₂粉末、79份铜粉末进行球磨混粉，转速为150转/min，球磨时间为60min，使粉末混合均匀，得复合粉末；(3)将复合粉末进行热压烧结3h，热压烧结的温度为900℃、压力为40MPa，随炉冷却，得到铜基复合块体材料；(4)将得到的块体材料进行热等静压2h，热等静压烧结温度为900℃、压力为100MPa，快冷，得石墨烯增强铜基复合材料。

实施例7

取实施例1制得的经表面修饰的石墨烯；(2)按重量份计，采用玛瑙球和玛瑙球罐将1.5份石墨烯、2份石墨粉末、6份Ti₃SiC₂粉末、90.5份铜粉末进行球磨混粉，转速为200转/min，球磨时间为50min，使粉末混合均匀，得复合粉末；(3)将复合粉末进行热压烧结2h，热压烧结的温度为950℃、压力为28MPa，随炉冷却，得到铜基复合块体材料；(4)将得到的块体材料进行热等静压2h，热等静压烧结温度为900℃、压力为100MPa，快冷，得石墨烯增强铜基复合材料。

采用扫描电镜(SEM)表征实施例5-7制备得到的石墨烯增强铜基复合材料，结果如图2所示。

图2中(a)为实施例5中球磨混料后复合粉末的3000倍SEM图，其左边是由于球磨高压等机械作用发生冷焊和扩散的铜颗粒团聚物，附着在铜颗粒团聚物上的为片状石墨烯纳米片。

图2中(b)为实施例6中球磨混料后复合粉末的10000倍SEM图，中间透明状的层状物质为石墨烯纳米片，嵌入铜颗粒聚合物中。

图2中(c)为实施例6中球磨混料后复合粉末的10000倍的SEM图，透明片状物即为石墨烯纳米片，从图中可看到石墨烯纳米片嵌入铜基体中，说明球磨过程能促进基体与增强相之间的界面结合。

图2中(d)为实施例7中球磨混料后复合粉末的10000倍SEM图，可看出增强相有些破碎，可能是球磨的机械作用导致，这在一定程度上减小了增强相的尺寸，有利于增强相的均匀分散。球磨会改变粉末颗粒的形状，铜颗粒越圆润，说明球磨冷焊效果越差，在实施例5～7中，铜颗粒之间冷焊现象明显，可看到少层石墨烯附着在铜颗粒上，说明混料效果整体不错，同时石墨烯纳米片的添加未对整体材料的结构特征造成影响。

图3是图2中(b)的EDS图。检测到的元素有C、Cu、Ti、Si。从图3可以看到白色颗粒状的Ti₃SiC₂分布在石墨烯表面，说明实施例5～7所采用的球磨方式对增强相有很好的分散作用。

采用阿基米德法测量上述实施例和对比例制备的铜基复合材料的密度、致密度，并测量其布氏硬度、抗拉强度和抗压强度，其结果如表1所示。

表1实施例5～7的实验结果

由表1结果可知，实施例5制备的铜基复合材料与实施例6和7制备的铜基复合材料相比，其显微维氏硬度分别提高了5.33HV、7.6HV；抗拉强度分别提高了36.54MPa、76.25MPa；抗压强度分别提高了21.94MPa、32.71MPa。因此，实施例5制备的铜基复合材料相对于实施例6和实施例7制备的铜基复合材料，具有更加优异的硬度和耐冲击性，实施例5为本发明铜基复合材料的最佳实施方式。由此可知，只有当铜基复合材料的组成按重量百分比计为石墨烯1～9％、石墨粉末2～5％、Ti₃SiC₂粉末6～15％、余量为铜粉末时，才能达到本发明所述的效果。

试验例

测试实施例5～7制备的铜基复合材料和同样烧结工艺制备得到的纯铜(对比例)，在不同石墨烯含量(％wt)、不同载荷(F)、转速(r/min)三因素(I)下的耐摩擦、磨损性能，其结果如表2所示。

表2实施例5-7制备的铜基复合材料的耐摩擦、磨损性能

由表2可知，实施例5制备的铜基复合材料在载荷400N、转动速度150r/min的条件下，磨损量仅为0.0263g，摩察系数仅为0.296；在载荷500、滑动速度50r/min的条件下，磨损量也只有0.0358g，摩察系数仅为0.329。由此可知，本发明所述的铜基复合材料不仅具有很好的强度及耐冲击性，同时具有优异的耐摩擦、磨损性能。

Claims (10)

1.一种石墨烯增强铜基复合材料，包括重量百分比如下组分：经表面改性的石墨烯0.5~5%、石墨 2~5%、Ti₃SiC₂ 6~15%、余量为铜；

所述经表面改性的石墨烯是没食子酸改性的石墨烯。

2.根据权利要求1所述的石墨烯增强铜基复合材料，其特征在于：铜基复合材料按重量百分比包括如下组分：经表面改性的石墨烯0.5~2%、石墨粉末2~4%、Ti₃SiC₂粉末8~12%、余量为铜粉末。

3.根据权利要求1所述的石墨烯增强铜基复合材料，其特征在于，所述经表面改性的石墨烯经以下方法制成：将石墨烯加入到没食子酸水溶液中，分散均匀，静置，过滤，取滤渣进行真空干燥，得到经表面修饰的石墨烯。

4.根据权利要求3所述的石墨烯增强铜基复合材料，其特征在于：所述没食子酸水溶液由去离子水配制，没食子酸水溶液中没食子酸的浓度为3~18 mg/mL。

5.根据权利要求3所述的石墨烯增强铜基复合材料，其特征在于：所述石墨烯的重量与没食子酸水溶液的体积之比为0.05~0.5g:20~60mL。

6.一种铜基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）将石墨烯加入到没食子酸水溶液中，分散均匀，静置，过滤，取滤渣进行真空干燥，得到经表面修饰的石墨烯；

（2）将经表面修饰的石墨烯与铜粉末、石墨粉末、Ti₃SiC₂粉末进行球磨混粉，得复合粉末；

（3）将复合粉末进行热压烧结，冷却，再热等静压处理得石墨烯增强铜基复合材料。

7.根据权利要求6所述的铜基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中球磨采用玛瑙球和玛瑙球罐，球磨转速为150~300转/min，球磨时间为40~60min。

8.根据权利要求6所述的铜基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中球磨采用介质为叔丁醇。

9.根据权利要求6所述的铜基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）热压烧结的温度为900~1000℃。

10.根据权利要求6所述的铜基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中热压烧结的压力为25~40MPa。