CN110695373A - 具有双层谐波结构的石墨烯包覆稀土元素负载铜复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有双层谐波结构的石墨烯包覆稀土元素负载铜复合材料，其特征在于，具有稀土元素负载小粒径铜，小粒径铜再负载在大粒径铜上，外面包覆一层石墨烯改善铜‑石墨烯复合材料的强度与延伸率的双层谐波结构。采用铜粉作为铜‑石墨烯复合材料的母材，所采用的石墨烯是通过碳源在铜表面上原位生长出的，并加入稀土元素进行修饰。本发明还给出此种复合材料的制备方法。

Description

具有双层谐波结构的石墨烯包覆稀土元素负载铜复合材料的 制备方法
技术领域
本发明涉及一种新型稀土元素负载小粒径铜，小粒径铜再负载在大粒径铜的双层谐波结构的制备方法，属于军工、航空航天、汽车制造、电子电器等技术领域。
背景技术
近年来，为了适应具有优异机械性能的结构材料的需求，研究者进行了广泛的研究，复合材料由于优异的综合性能，尤其是其结构与性能的可设计性，被广泛用于航空航天、国防、交通等领域。其中金属基复合材料是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材料。由于更高的强度、耐磨性、良好的导电导热率，可以适用于极端空间环境，如真空、电离辐射、等离子体中。其中铜基复合材料由于高的杨氏模量、良好的导电导热和加工性能，在高端领域如集成电路、电子电器、航空航天、汽车等应用越来越广、极具发展潜力，成为21世纪重要的复合材料。随着增强相纤维、颗粒、石墨烯等的加入，虽然可以提高复合材料强度，但是会降低其导电导热性，因此设计新型结构，实现增强增韧的双向提高是现在急需解决的问题。
文献[1]指出通过设计一种微结构，形成“谐波结构”材料(harmonic structure)可以同步提高复合材料的强度和延展性，从而改善机械性能。从本质上讲，它是一种异质微结构，由双峰粒度分布组成，其中韧性高的粗晶粒区域被包围在具有高强度超细晶粒结构的连续的三维网络区域中，形成粗细晶分布。粗晶可以使其韧性提高，而细晶则会提高其强度。与同类均质材料相比，具有这种结构的多种金属和合金同时具有出色的强度和延展性。而现阶段类似结构还未适用于铜基上，且在其他材料上的应用也仅限于单层谐波结构。
是否实现双层谐波结构，这个问题的解决将对金属基复合材料的研究提供新的技术方案。
参考文献
[1]Khalil,Nur Zalikha,et al.Application ofAl-Si semi-solid reactionfor fabricating harmonic structured Al basedalloy.[J]Materials transactions57(9)(2016):1433-1439.
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型石墨烯包覆稀土元素负载小粒径铜，小粒径铜再负载在大粒径铜上的双层谐波结构，采用水浴加热将稀土元素、铜粉、醋酸铜、蔗糖等混合均匀，通过浸渍还原制备稀土元素负载在小粒径铜、小粒径铜再负载在大粒径铜上，***包裹一层石墨烯的双层谐波结构。这种结构能够有效克服传统粉末冶金法中强度、延伸率倒置关系的缺点。本方法不仅可以提高铜-石墨烯界面润湿性，使其具有高结合强度，而且双层谐波结构使其具有高强度的同时，不会降低其延伸率，具有很好的工业应用前景。本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：
一种具有双层谐波结构的石墨烯包覆稀土元素负载铜复合材料，其特征在于，具有稀土元素负载小粒径铜，小粒径铜再负载在大粒径铜上，外面包覆一层石墨烯改善铜-石墨烯复合材料的强度与延伸率的双层谐波结构，采用铜粉作为铜-石墨烯复合材料的母材，所采用的石墨烯是通过碳源在铜表面上原位生长出的，并加入稀土元素进行修饰。
进一步地，所述的铜粉颗粒直径在1μm～600μm。所述的铜表面加入碳源蔗糖，经过水浴加热工艺使其均匀负载。通过浸渍还原醋酸铜、硝酸铜中的一种或两种，还原为小粒径铜粉负载在大粒径铜母材上，稀土元素负载在醋酸铜、硝酸铜中的一种或两种浸渍还原出的小粒径铜上，实现稀土元素负载小粒径铜，小粒径铜再负载在大粒径铜的双层谐波结构。采用原位生长得到的石墨烯，石墨烯层数控制在1层～20层。原位长出的石墨烯作用为限制内部颗粒的长大，起到限域的作用。
本发明同时给出所述的铜-石墨烯双层谐波结构复合材料的制备方法：，包括下列步骤：
1)按照质量比(0.6-3)：12:(0.5-4)：(0.13-0.19)称取稀土元素Y(NO3)2·6H2O、铜粉、醋酸铜及硝酸铜中的一种或两种混合物和蔗糖，加入无水乙醇和水，在60-90℃水浴温度中使其均匀分散；
2)将1)步得到已均匀分散的混合物在450-950℃还原气体气氛下进行浸渍还原0.5-4h；
3)将获得的粉末放入热压磨具中高温烧结，制备得到稀土元素增强铜基复合材料，热压温度：700-1000℃。
附图说明
图1为原始400目铜粉形貌
图2位原始1μm铜粉形貌
图3为实施例1浸渍后XRD谱图
图4为实施例1浸渍还原后粉末形貌
图5为实施例2浸渍还原后粉末形态
图6为实施例3浸渍还原后粉末形态
图7为实施例1浸渍还原后粉末能谱
具体实施方式
下面结合实例进一步说明本发明，这些实例只用于说明本发明，并不限制本发明。
实施例1
1)按照质量比3：12:1.5：0.16称取稀土元素Y(NO3)2·6H2O、粒径400目铜粉、醋酸铜和蔗糖，加入无水乙醇和水，在70℃水浴锅中使其均匀分散；
2)将1)步得到已均匀分散的混合物在600℃还原气体气氛下进行浸渍还原；
3)将获得的粉末放入热压磨具中高温烧结，制备得到稀土元素增强铜基复合材料，热压温度：800℃。
实施例2
1)按照质量比3：12:1.5：0.16称取稀土元素Y(NO3)2·6H2O、1μm铜粉、醋酸铜和蔗糖，加入无水乙醇和水，在70℃水浴锅中使其均匀分散；
2)将1)步得到已均匀分散的混合物在600℃还原气体气氛下进行浸渍还原；
3)将获得的粉末放入热压磨具中高温烧结，制备得到稀土元素增强铜基复合材料，热压温度：800℃。
实施例3
1)按照质量比12:1.5:：0.16称取粒径400目铜粉、醋酸铜和蔗糖，加入无水乙醇和水，在70℃水浴锅中使其均匀分散；
2)将1)步得到已均匀分散的混合物在600℃还原气体气氛下进行浸渍还原；
3)将获得的粉末放入热压磨具中高温烧结，制备得到稀土元素增强铜基复合材料，热压温度：800℃。

Claims (7)

1.一种具有双层谐波结构的石墨烯包覆稀土元素负载铜复合材料，其特征在于，具有稀土元素负载小粒径铜，小粒径铜再负载在大粒径铜上，外面包覆一层石墨烯改善铜-石墨烯复合材料的强度与延伸率的双层谐波结构。采用铜粉作为铜-石墨烯复合材料的母材，所采用的石墨烯是通过碳源在铜表面上原位生长出的，并加入稀土元素进行修饰。
2.如权利要求1所述的复合材料，其特征还在于：所述的铜粉颗粒直径在1μm～600μm。
3.如权利要求1所述的复合材料，其特征还在于：所述的铜表面加入碳源蔗糖，经过水浴加热工艺使其均匀负载。
4.如权利要求1所述的复合材料，其特征还在于：通过浸渍还原醋酸铜、硝酸铜中的一种或两种，还原为小粒径铜粉负载在大粒径铜母材上，稀土元素负载在醋酸铜、硝酸铜中的一种或两种浸渍还原出的小粒径铜上，实现稀土元素负载小粒径铜，小粒径铜再负载在大粒径铜的双层谐波结构。
5.如权利要求1所述的铜-石墨烯双层谐波结构复合材料，其特征还在于：采用原位生长得到的石墨烯，石墨烯层数控制在1层～20层。
6.如权利要求1所述的铜-石墨烯双层谐波结构复合材料，其特征还在于：原位长出的石墨烯作用为限制内部颗粒的长大，起到限域的作用。
7.制备权利要求1所述石墨烯包覆稀土元素负载铜复合材料的方法，包括下列步骤：
1)按照质量比(0.6-3)：12:(0.5-4)：(0.13-0.19)称取稀土元素Y(NO3)2·6H2O、铜粉、醋酸铜及硝酸铜中的一种或两种混合物和蔗糖，加入无水乙醇和水，在水浴加热情形下使其均匀分散；
2)将1)步得到已均匀分散的混合物在450-950℃还原气体气氛下进行浸渍还原0.5-4h；
3)将获得的粉末放入热压磨具中高温烧结，制备得到稀土元素增强铜基复合材料，热压温度：700-1000℃。
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