CN109735826B - 一种石墨烯/铜复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石墨烯/铜复合材料及其制备方法和应用。所述石墨烯/铜复合材料的制备方法包括：(1)对铜基底进行拉拨处理；(2)将拉拔处理所得的铜基底进行抛光处理；(3)引入碳源，在步骤(2)所得铜基底表面均匀生长石墨烯，经热压烧结致密化，得到石墨烯/铜复合材料。采用此方法得到的石墨烯/铜复合材料具有优异的电性能和机械性能，其可作为电机、变压器、变流器、电缆等设备中的导体材料，特别是应用于电机中，可进一步提升电机整体性能，实现高效节能的目标。

Description

一种石墨烯/铜复合材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种石墨烯/铜复合材料及其制备方法和应用，属于导电复合材料技术领域。

背景技术

铜基材料(纯铜、铜合金及铜基复合材料等)一直以来是重要的导体材料，在电力、交通运输、工业装备及电子信息等领域被广泛需求。然而，在电力领域中，铜的电阻引起的焦耳热不可避免地降低了电力能源的利用效率、器件装备的效能和稳定性。

近年来，随着能源与环境问题日益严峻以及高新技术的发展，对铜基材料的导电性能提出了更高的要求，开发超高导电铜基材料具有重要经济价值和现实意义。

中国专利申请CN108149046A公开了一种高强、高导石墨烯/铜复合材料及其制备方法和应用。该材料虽然在电导率等方面有了一定程度的改善，但在实际应用过程中仍然存在机械性能相对较差、电性能相对较低、生产成本相对较高，生产效率相对较低等问题。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本申请提出一种新的石墨烯/铜复合材料的制备工艺，采用此方法得到的石墨烯/铜复合材料具有导电率相对更高、发热量相对更低、集肤效应相对更小、安全性更高等特点；其可作为电机、变压器、变流器、电缆等设备中的导体材料，特别是应用于电机中，可进一步提升电机整体性能，实现高效节能的目标。

本发明的技术方案如下。

一种石墨烯/铜复合材料的制备方法，包括：

(1)对铜基底进行拉拨处理；

(2)将拉拔处理所得的铜基底进行抛光处理；

(3)引入碳源，在步骤(2)所得铜基底表面均匀生长石墨烯，经热压烧结致密化，得到石墨烯/铜复合材料。

步骤(1)中，所述铜基底通常为铜箔。

步骤(1)中，所述拉拨处理为利用机械方式对铜基底表面进行处理，形成直线纹、波纹、旋纹等各种纹路；所述机械方式可采用机械切削、摩擦、挤压等方式；通过这种处理方式，可大大增加铜基底的表面积，更有利于增加石墨烯生长量。

具体处理工具可采用专属的拉纹刀具或滚压模具，具体拉拔深度和间隔宽度距离可根据其应用设备等需求而确定尺寸。

步骤(2)中，所述抛光处理可采用电化学抛光工艺。

步骤(3)中，所述石墨烯的生长可采用本领域技术人员所掌握的已知方法进行。

作为本发明步骤(2)的具体实施方式之一，所述碳源选自气态碳源和/或固态碳源；其中，气态碳源为甲烷或乙炔；固态碳源为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚苯乙烯(PS)。同时，依据碳源不同种类，其引入方式和石墨烯生长方式也相应不同，具体如下：

当碳源为气态碳源时，石墨烯沉积条件为：气态碳源流量为1sccm～10sccm，氢气流量为10sccm～30sccm，氩气流量为50sccm～150sccm，保持管内压力＜1Torr，温度为600℃～700℃；具体实施步骤如下：

(1)将拉拨处理后的铜箔置于管式炉内，调节气态碳源流量为1sccm～10sccm，氢气流量为10sccm～30sccm，氩气流量为50sccm～150sccm，保持管内压力＜1Torr；

(2)在温度为600℃～700℃条件下进行石墨烯沉积，沉积时间为5分钟～20分钟；

(3)停止气态碳源引入，保持管内压力＜200mTorr直至炉温冷却至室温，即得到石墨烯/铜复合材料。

当碳源种类为固态碳源时，先利用真空浸渍方法获得PMMA/铜或PS/铜，再进行石墨烯生长；所述浸渍条件为：浸渍液为0.5～5.0g/L聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯的苯甲醚或氯仿溶液，烘干温度为70-90℃；所述石墨烯生长条件为：氢气流量为5sccm～15sccm，氩气流量为100sccm～200sccm，保持管内压力＜1Torr，温度为800℃～1000℃，时间为1～2小时；具体实施步骤如下：

(1)利用真空浸渍方法将0.5～5.0g/L聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚苯乙烯(PS)加入溶剂中，搅匀，再引入拉拨处理后的铜箔内部，之后在70-90℃(如80℃)烘干，获得PMMA/铜或PS/铜；所述统计为苯甲醚或氯仿；

(2)将PMMA/铜或PS/铜置于管式炉内，调节氢气流量为5sccm～15sccm，氩气流量为100～200sccm sccm，保持管内压力＜1Torr，在温度为800℃～1000℃条件下进行石墨烯生长，时间为1～2小时；

(3)保持管内压力＜200mTorr直至炉温冷却至室温，即得到石墨烯/铜复合材料。

所述热压烧结可选自真空或者气体保护下热压烧结、热等静压烧结、放电等离子体烧结、微波烧结中的一种；烧结温度范围为700～1000℃，压力范围为10～200MPa，优选50-200MPa。

本发明通过对铜基底进行拉拔处理，并根据实际需求调整拉拔工艺的参数，从而在铜基底表面形成特定的纹路，使得石墨烯蜂巢晶格与铜晶面晶格形成良好的匹配关系，得到一种电性能和机械性能兼优的复合材料。

所述复合材料中，石墨烯包覆铜基底取向于晶面择优取向，而晶面在材料内部呈现出一种近似于单晶长程有序的排列方式，有效地降低缺陷对电子传输参数的散射作用，有利于提高材料的电导率；此外，通过热压烧结方式使得石墨烯包覆铜基底的内部石墨烯与铜界面的结合能得到显著提高，铜-石墨烯界面发挥了二维高导的本征特性，成为载流子的快速通道，进一步提高了复合材料的电导率。

本发明还提供由上述方法制得的石墨烯/铜复合材料。所述石墨烯/铜复合材料具有立体结构，可根据实际应用需要制成型材或金属箔。所述复合材料的电性能和机械性能如下：抗拉强度为620-690MPa、弹性模量为200-270GPa、电导率为114-122％IACS。

本发明还提供上述方法制得的石墨烯/铜复合材料在电机、变压器、变流器、电缆等设备中的应用。

本发明还提供一种电机，其含有上述石墨烯/铜复合材料。

具体地，所述电机的定子线圈、转子导条、端环、接线盒铜排部件中至少一个部件是由上述石墨烯/铜复合材料制得的。

进一步地，所述定子线圈由石墨烯/铜复合材料扁平带材绕制而得，绕制的曲率半径可根据复合材料的内部结构破环程度不影响设计性能而确定。

本发明的有益效果如下：

本发明对现有石墨烯/铜复合材料的制备工艺进行实质性改进，先对铜箔进行特定的拉拨处理，可在同等条件下增大石墨烯在铜材的附着面积，进而提高石墨烯在铜箔上的生长量，在原来平面生长的同时增加了在法线方向上具有一定拉拔深度的石墨烯生长量，从而形成立体结构，从而显著提高了导电率(相比纯铜导电率提高了16％)，降低了发热量，并减少集肤效应，提高安全性；同时可省略现有铜箔表面处理工序，简化工艺步骤。

而且，当采用所得复合材料制备电机定子线圈时，虽然定子线圈鼻部弯曲处的平面二维原子层六方格子晶体结构因制作过程中的拉伸、弯曲处理受到影响，但法向方向的具有一定深度的石墨烯受到的影响较小，因此大大降低了对电机设计性能的影响，可以提高电机的品质。此外，本发明所述复合材料成功运用在超高效电机上，并得出很好的试验效果，为后续在电机、变压器的应用提供了技术参考。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

本实施例提供一种石墨烯/铜复合材料的制备，包括：

(1)拉拔处理：

本实施例中使用的成型刀具，加工形状是V行槽，深度10μm，槽与槽之间间隔2mm，最终形态是在50μm铜箔基底上、下表面形成十字结构密布的V形槽，采用此拉拨处理后的铜基底有效面积达到原铜箔表面积的1.6倍；

(2)抛光处理：

采用电化学抛光工艺对拉拔处理后的铜基底进行预处理，得到预处理后的铜基底；

(3)石墨烯生长：

将步骤(3)抛光所得铜基底置于管式炉内，引入固态碳源，调节氢气流量为15sccm，氩气流量为200sccm，保持管内压力＜1Torr，在温度为1000℃条件下进行石墨烯的生长，时间为1小时；保持管内压力＜200mTorr直至炉温冷却至室温，即得到纳米多孔石墨烯/铜基复合材料，石墨烯层数为2层。

经检验，相比直接以普通铜箔作为基底进行石墨烯生长的复合材料，本实施例经拉拨处理的复合材料的石墨烯含量增加了50％。

(4)热压烧结：

在烧结温度为800℃～950℃、烧结压强为30MPa～150MPa和烧结时间为10min～30min的条件下，对步骤(3)所得石墨烯包覆铜基底材料(共5份)进行热压烧结处理，得到石墨烯/铜复合材料。

经测试，所得复合材料的电性能和机械性能如下：抗拉强度为620-690MPa、弹性模量为200-270GPa、电导率为114-122％IACS。

效果验证：

1、相比原有采用10层、25μm铜箔基底制备复合材料的工艺，实施例1所述工艺的生产成本可降低35％，生产效率可提高40％。

2、CN108149046A公开的实施例1所述复合材料的电性能和机械性能如下：抗拉强度为633MPa、弹性模量为209.6GPa、电导率为92.1％IACS。相比之下，本发明所述方法可使复合材料的电导率大大提高。

3、分别以实施例1所得复合材料、纯铜作为导体器材，采用相同的方法制备定子线圈、转子导条、端环及接线盒铜排，并装配得到电机。对所得电机进行性能检测，结果如表1。

表1

	实施例1	纯铜电机
			电机效率	90.61％	90.23％
同功率下电机转子温升	117.6℃	137.8℃
			电机最大输出功率	19.8kW	18.5kW

由表1可知，采用本发明所得石墨烯/铜复合材料可以有效提高电机的效率，降低电机的发热量，在同等条件下运行可以提高7％的输出功率。由此证明，本发明所得石墨烯/铜复合材料可以作为高性能的导电材料，不但提高了电力能源的利用效率，也提高了器件装备的效能和稳定性。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (15)

1.一种用于电机定子线圈的石墨烯/铜复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对铜基底进行拉拨处理；其中所述拉拨处理为利用机械方式对铜基底表面进行处理，形成纹路；所述纹路为十字结构密布的V形槽；

(2)将拉拔处理所得的铜基底进行抛光处理；

(3)引入碳源，在步骤(2)所得铜基底表面均匀生长石墨烯；

(4)将5份步骤(3)所得的石墨烯包覆铜基底材料进行热压烧结处理，得到石墨烯/铜复合材料；所述石墨烯/铜复合材料中，在铜基体表面的法线方向上具有一定拉拔深度的石墨烯生长量。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述机械方式为切削、摩擦、挤压。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述抛光处理采用电化学抛光工艺。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述碳源选自气态碳源和/或固态碳源；其中，气态碳源为甲烷或乙炔；固态碳源为聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，当碳源为气态碳源时，石墨烯沉积条件为：气态碳源流量为1sccm～10sccm，氢气流量为10sccm～30sccm，氩气流量为50sccm～150sccm，保持管内压力＜1Torr，温度为600℃～700℃。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，当碳源为气态碳源时，石墨烯沉积的具体实施步骤如下：

①将拉拨处理后的铜箔置于管式炉内，调节气态碳源流量为1sccm～10sccm，氢气流量为10sccm～30sccm，氩气流量为50sccm～150sccm，保持管内压力＜1Torr；

②在温度为600℃～700℃条件下进行石墨烯沉积，沉积时间为5分钟～20分钟；

③停止气态碳源引入，保持管内压力＜200mTorr直至炉温冷却至室温，即得到石墨烯/铜复合材料。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，当碳源种类为固态碳源时，先利用真空浸渍方法获得PMMA/铜或PS/铜，再进行石墨烯生长；

所述浸渍条件为：浸渍液为0.5～5.0g/L聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯的苯甲醚或氯仿溶液，烘干温度为70-90℃；

所述石墨烯生长条件为：氢气流量为5sccm～15sccm，氩气流量为100sccm～200sccm，保持管内压力＜1Torr，温度为800℃～1000℃，时间为1～2小时。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，当碳源种类为固态碳源时，石墨烯沉积的具体实施步骤如下：

(一)利用真空浸渍方法将0.5～5.0g/L聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯加入溶剂中，搅匀，再引入拉拨处理后的铜箔内部，之后在70-90℃烘干，获得PMMA/铜或PS/铜；所述溶剂为苯甲醚或氯仿；

(二)将PMMA/铜或PS/铜置于管式炉内，调节氢气流量为5sccm～15sccm，氩气流量为100～200sccm，保持管内压力＜1Torr，在温度为800℃～1000℃条件下进行石墨烯生长，时间为1～2小时；

(三)保持管内压力＜200mTorr直至炉温冷却至室温，即得到石墨烯/铜复合材料。

9.根据权利要求1-8任一所述的制备方法，其特征在于，所述热压烧结选自真空或者气体保护下热压烧结、热等静压烧结、放电等离子体烧结、微波烧结中的一种；烧结温度范围为700～1000℃，压力范围为10～200MPa。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，压力范围为50-200MPa。

11.一种石墨烯/铜复合材料，其根据权利要求1-10任一所述方法制得。

12.根据权利要求11所述的石墨烯/铜复合材料，其特征在于，所述复合材料的抗拉强度为620-690MPa、弹性模量为200-270GPa、电导率为114-122％IACS。

13.权利要求11或12所述的石墨烯/铜复合材料在电机、变压器、变流器、电缆设备中的应用。

14.一种电机，其特征在于，含有权利要求11或12所述的石墨烯/铜复合材料。

15.根据权利要求14所述的电机，其特征在于，所述电机的定子线圈、转子导条、端环、接线盒铜排部件中至少一个部件是由权利要求11或12所述石墨烯/铜复合材料制得的。