CN108251671A - 一种掺杂氧化石墨烯增强ods铜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种掺杂氧化石墨烯增强ODS铜的制备方法，属于铜基复合材料制备技术领域。以雾化的Cu‑Al合金粉作为原料，向其中掺杂氧化石墨烯引入氧，与基体中的Al扩散结合形成Al2O3纳米粒子均匀分散在基体中，同时失去含氧官能团的石墨烯作为第二增强相分散在基体中，结合粉末冶金技术及后续塑性加工获得致密、强度高、加工性能优良的石墨烯增强ODS铜复合材料。本发明技术在提高铜基复合材料强度的同时又保证了其传导性能，石墨烯的加入也改善了传统ODS铜难加工的问题，适合大批量工业化生产。

Description

一种掺杂氧化石墨烯增强ODS铜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种掺杂氧化石墨烯增强ODS铜的制备方法，属于铜基复合材料制备技术领域。
技术背景
目前在高性能电子电气元器件领域应用最为广泛的氧化铝(Al2O3)弥散强化(ODS)铜，不仅在室温和高温下具有较高的强度，而且还具有良好的抗高温软化、抗电弧侵蚀和耐磨损能力。虽然ODS铜的强度及高温稳定性随着Al2O3含量增多而提高，但其传导性能和加工性能却会随之减弱。目前，生产Al2O3弥散强化铜合金的主要方法是内氧化法。中国发明专利CN 105838911A公开了一种制备氧化铝弥散强化铜的方法，利用Cu2O中的氧作为氧源与Cu-Al合金粉中的Al结合形成Al2O3制备ODS铜。该发明虽然提高了铜基体的强度，但由于Al2O3粒子的存在导致复合材料的导电率严重下降。
众所周知，石墨烯具有超高的强度及优异的传导性能，当前有不少研究向铜基体中添加石墨烯制备铜基复合材料，期望提高强度的同时也改善传导性能。中国发明专利申请CN 105714138A公开了一种制备石墨烯增强铜基复合材料的方法，该发明将氧化石墨烯作为前驱体来制备石墨烯增强纯铜基复合材料，其电导率较纯铜有所提高，但是仅用石墨烯作为增强相对铜基体强度提高的幅度较ODS铜相比相差较多。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种掺杂氧化石墨烯增强ODS铜的制备方法，通过在Cu-Al合金粉中引入氧化石墨烯，将氧化石墨烯中的O元素与Cu-Al合金粉末中的Al元素通过高温扩散结合形成纳米Al2O3，在保证材料强度的同时改善了传统ODS铜材料的传导性和加工性能。
一种掺杂氧化石墨烯增强ODS铜复合材料的制备方法，具体技术方案包括以下内容：
1.将Cu-Al合金粉与一定量氧化石墨烯分散液进行混合，保证Cu-Al合金粉被氧化石墨烯分散液完全浸润，并保证混合浆料具有一定的流动性；
2.将混合浆料进行磁力搅拌一段时间之后，再在磁力搅拌条件下水浴加热使分散剂液体挥发，将得到的混合粉末进行真空干燥；
3.将干燥后的复合粉末进行成型、氧扩散和烧结得到石墨烯增强ODS铜复合材料，最后通过塑性加工使复合材料进一步致密化，得到石墨烯分散均匀、全致密的石墨烯增强ODS铜复合材料。
步骤1所述的Cu-Al合金粉是通过水雾化或气雾化方法制备的，合金中Al的含量为0.1wt.％～1.0wt.％。
步骤1所述的氧化石墨烯为片状，片径为500nm～10μm，氧化石墨烯的含量为Cu-Al合金粉的0.1wt.％～2wt.％。
步骤3所述的复合粉末成型方法为冷等静压或模压成型，冷等静压成型压力为70～300MPa，保压时间为30～150s；模压成型压力为100～600MPa，保压时间为5～45s；成型后先在真空条件下进行氧的扩散，扩散温度为500～1000℃，时间为4～12h；然后在真空或氢气气氛下将温度升高至800～1050℃进行烧结，保温时间为1～4h，真空烧结真空度为10-1～10-3Pa。
与其他技术相比，本发明具有以下优点：
(1)氧化石墨烯表面具有大量的亲水基官能团，在水或无水乙醇中具有良好的分散效果，容易实现与Cu-Al合金粉均匀混合，生成的石墨烯作为第二增强相均匀分散在ODS铜基体中，避免了石墨烯团聚导致复合材料力学性能的恶化，尤其是塑性下降。
(2)氧化石墨烯为Cu-Al合金粉中的Al提供充足的O以形成弥散分布的纳米级Al2O3粒子，同时生成的石墨烯弥补了Al2O3弥散强化粒子对铜基体传导性能的不利影响，使得复合材料提高铜基体强度的同时又不会引起传导性能的劣化，并且石墨烯的润滑作用能够改善ODS铜的加工性能。
具体实施方案
实施例1：
(1)取200ml氧化石墨烯浓度为1mg/ml的氧化石墨烯分散液(分散剂为乙醇)，将其与10g水雾化Cu-Al合金粉均匀混合，Al含量为0.1wt.％，保证Cu-Al合金粉被氧化石墨烯分散液完全浸润；
(2)将混合后浆料进行磁力搅拌5h，然后将水浴温度升至45℃在磁力搅拌条件下使分散剂液体挥发，将得到的混合粉末在40℃下进行真空干燥；
(3)将干燥后的复合粉末进行冷等静压成型，成型压力为70MPa，保压时间为150s；
(4)将得到的生坯先在825℃真空条件下进行氧扩散8h，再将温度升高至1000℃，在真空度为10-1Pa的真空条件下烧结1.5h后得到石墨烯增强ODS铜复合材料。最后通过热挤压使复合材料进一步致密化，得到致密性良好、石墨烯和氧化铝弥散相分散均匀的石墨烯增强ODS铜复合材料，电导率为91％IACS，抗拉强度为505MPa。
实施例2：
(1)取200ml氧化石墨烯浓度为1.5mg/ml的氧化石墨烯分散液(分散剂为乙醇)，将其与30g气雾化Cu-Al合金粉均匀混合，Al的含量为0.6wt.％，保证Cu-Al合金粉被氧化石墨烯分散液完全浸润；
(2)将混合后浆料进行磁力搅拌5h，然后将水浴温度升至45℃在磁力搅拌条件下使分散剂液体挥发，将得到的混合粉末在40℃下进行真空干燥；
(3)将干燥后的复合粉末进行模压成型，成型压力为600MPa，保压时间为5s；
(4)将得到的生坯先在500℃真空条件下进行氧扩散12h，再将温度升高至800℃，在氢气气氛下烧结3h后得到石墨烯增强ODS铜复合材料。最后通过热锻处理使复合材料进一步致密化，得到致密性良好、石墨烯和氧化铝弥散相分散均匀的石墨烯增强ODS铜复合材料，电导率为84.1％IACS，抗拉强度为610MPa。
实施例3：
(1)取750ml氧化石墨烯浓度为1mg/ml的氧化石墨烯分散液(分散剂为乙醇)，将其与50g水雾化Cu-Al合金粉均匀混合，Al的含量为1.0wt.％，保证Cu-Al合金粉被氧化石墨烯分散液完全浸润；
(2)将混合后浆料进行磁力搅拌5h，然后将水浴温度升至45℃在磁力搅拌条件下使分散剂液体挥发，将得到的混合粉末在40℃下进行真空干燥；
(3)将干燥后的复合粉末进行冷等静压成型，成型压力为300MPa，保压时间为30s；
(4)将得到的生坯先在1000℃真空条件下进行氧扩散4h，再将温度升高至1050℃，在真空度为10-3Pa的真空条件下为烧结3h后得到石墨烯增强ODS铜复合材料。最后通过轧制过程使复合材料进一步致密化，得到致密性良好、石墨烯和氧化铝弥散相分散均匀的石墨烯增强ODS铜复合材料，电导率为82.6％IACS，抗拉强度为698MPa。
实施例4：
(1)取500ml氧化石墨烯浓度为0.2mg/ml的氧化石墨烯分散液(分散剂为乙醇)，将其与100g气雾化Cu-Al合金粉均匀混合，Al的含量为0.3wt.％，保证Cu-Al合金粉被氧化石墨烯分散液完全浸润；
(2)将混合后浆料进行磁力搅拌5h，然后将水浴温度升至45℃在磁力搅拌条件下使分散剂液体挥发，将得到的混合粉末在40℃下进行真空干燥；
(3)将干燥后的复合粉末进行模压成型，成型压力为100MPa，保压时间为45s；
(4)将得到的生坯先在750℃真空条件下进行氧扩散9h，再将温度升高至950℃，在氢气气氛下烧结4h后得到石墨烯增强ODS铜复合材料。最后通过热挤压使复合材料进一步致密化，得到致密性良好、石墨烯和氧化铝弥散相分散均匀的石墨烯增强ODS铜复合材料，电导率为89％IACS，抗拉强度可达580MPa。

Claims (4)

1.一种掺杂氧化石墨烯增强ODS铜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将Cu-Al合金粉与一定量氧化石墨烯分散液进行混合，保证Cu-Al合金粉被氧化石墨烯分散液完全浸润，并保证混合浆料具有一定的流动性；
(2)将混合浆料进行磁力搅拌一段时间之后，再在磁力搅拌条件下水浴加热使分散剂液体挥发，将得到的混合粉末进行真空干燥；
(3)将干燥后的复合粉末进行成型、氧扩散和烧结得到石墨烯增强ODS铜复合材料，最后通过塑性加工使复合材料进一步致密化，得到石墨烯分散均匀、全致密的石墨烯增强ODS铜复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种掺杂氧化石墨烯增强ODS铜的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述Cu-Al合金粉是通过水雾化或气雾化方法制备的，合金中Al的含量为0.1wt.％～1.0wt.％。
3.根据权利要求1所述的一种掺杂氧化石墨烯增强ODS铜的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述氧化石墨烯为片状，片径500nm～10μm，氧化石墨烯的含量为Cu-Al合金粉的0.1wt.％～2wt.％。
4.根据权利要求1所述的一种掺杂氧化石墨烯增强ODS铜的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述复合粉末的成型方法为冷等静压成型或模压成型，冷等静压成型压力为70～300MPa，保压时间为30～150s；模压成型压力为100～600MPa，保压时间为5～45s；成型后先在真空条件下进行氧扩散，温度为500～1000℃，时间为4～12h；然后在真空或氢气气氛下将温度升高至800～1050℃进行烧结，保温时间为1～4h，其中真空烧结的真空度为10-1～10-3Pa。
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