一种石墨烯铜基复合材料及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种石墨烯铜基复合材料及其制备方法和应用 (Graphene copper-based composite material and preparation method and application thereof ) 是由 丁一 祝志祥 周明瑜 庞震 徐若愚 陈新 韩钰 陈保安 张强 刘建 陈舒 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明涉及电工材料技术领域,具体涉及一种石墨烯铜基复合材料及其制备方法和应用。本发明提供的石墨烯铜基复合材料的制备方法,包括如下步骤：在第一铜板材上依次叠放石墨烯层和第二铜板材,得到石墨烯夹层胚样；对夹层胚样采用累积叠轧焊法进行轧制,得到粗坯；对粗坯进行退火处理,冷却,得到所述石墨烯铜基复合材料。本发明提供的石墨烯铜基复合材料的制备方法,利用石墨烯的高导电性以及石墨烯铜复合体系的复合效应和协同效应,在材料中形成完整石墨烯导流通道,获得高导电线缆材料,使其具备更好的导电性及机械性能,广泛用于电工领域中的输电线缆。(The invention relates to the technical field of electrical materials, in particular to a graphene copper-based composite material and a preparation method and application thereof. The preparation method of the graphene copper-based composite material provided by the invention comprises the following steps: stacking the graphene layer and a second copper plate on the first copper plate in sequence to obtain a graphene interlayer blank sample; rolling the interlayer blank sample by adopting an accumulative roll welding method to obtain a rough blank; and annealing the rough blank, and cooling to obtain the graphene copper-based composite material. According to the preparation method of the graphene copper-based composite material, the high conductivity of graphene and the composite effect and synergistic effect of a graphene copper composite system are utilized to form a complete graphene flow guide channel in the material, so that the high-conductivity cable material is obtained, has better conductivity and mechanical properties, and is widely applied to power transmission cables in the field of electricians.)
技术领域
本发明涉及电工材料技术领域，具体涉及一种石墨烯铜基复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
在国家电网“西电东送、南北互供、全国联网”形势下，输电线路的高压化、远距离化和大容量化对输电线路中使用的电缆的输电性能和强度的要求越来越高。目前我国公共场所和高层建筑所用的电缆基本使用铜作为电缆的导体(缆芯)，虽然铜的导电性能较好，但其密度较大，抗弯性能不佳，越来越难以满足现代电缆对其输电性能和强度的要求。
石墨烯为具有一个原子层厚度的二维蜂窝网状结构材料，是目前已知的电学性能最好的材料，具有超高的电子迁移率；同时具有耐腐蚀、高模量的特性，现有技术虽也有将石墨烯掺杂到铜基材料中的技术研究，但其多为在熔炼阶段将石墨烯掺杂入铜基材料中，其制备得到的复合材料难以满足电缆对输电性能和强度的要求。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有工艺制备的石墨烯掺杂铜基材料无法有效满足电缆对输电性能和强度要求的缺陷，从而提供一种石墨烯铜基复合材料及其制备方法和应用。
为此，本发明提供如下技术方案：
一种石墨烯铜基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)在第一铜板材上依次叠放石墨烯层和第二铜板材，得到石墨烯夹层胚样；
2)对夹层胚样采用累积叠轧焊法进行轧制，得到粗坯；
3)对粗坯进行退火处理，冷却，得到所述石墨烯铜基复合材料。
优选的，所述石墨烯层由5-20层的单原子层石墨烯形成，单原子层石墨烯的厚度为0.1-60nm。本发明所述5-20层的单原子层石墨烯可采用机械剥离法制备得到。本发明不对石墨烯的种类做具体限定，包括但不限于机械剥离石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯。
优选的，所述第一铜板材和第二铜板材的铜含量不小于99.9％(质量含量)，可选的，所述第一铜板材和第二铜板材的铜含量为99.9-99.999％，所述第一铜板材的厚度为1-10mm，所述第二铜板材的厚度为1-10mm；优选的，所述第一铜板材的厚度与第二铜板材的厚度相同。
优选的，步骤1)中在第一铜板材上依次叠放石墨烯和第二铜板材之前需要对第一铜板材和第二铜板材进行表面处理；所述表面处理可采用酒精或丙酮进行超声清洗，此为本领域常规手段，在此不做赘述。
优选的，步骤2)中对夹层胚样沿z轴方向向下轧制，轧制温度不小于800℃，当下压形变量达到45-55％后，将夹层胚样分成两部分，上下堆叠后再次轧制，以此作为一个循环工序，循环次数为5-10次。可选的，轧制温度为800-1000℃。
优选的，步骤3)中退火温度为500-800℃，退火时间为2-5h。
优选的，步骤3)中还包括对冷却后得到的材料进行挤压、拉丝的步骤。可选的，所述挤压步骤可将冷却后的材料挤压制备成直径在9.5mm量级的圆柱，所述拉丝步骤可经过6-10次冷拉拔工艺将圆柱材料直径拉拔至3.5mm，长1m以上。
本发明还提供一种石墨烯铜基复合材料，由上述所述的制备方法制备得到。
优选的，所述石墨烯铜基复合材料按照质量百分比计，由如下组分组成，Cu：99-99.9％；石墨烯：0.001-0.5％，且总C含量小于0.5％；以及其它不可避免的微量杂质；本发明所述不可避免的微量杂质包括但不限于Ni、Cr、Fe。
本发明还提供上述所述的制备方法制备的石墨烯铜基复合材料或上述所述的石墨烯铜基复合材料在制备输电线缆中的应用。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明提供的石墨烯铜基复合材料的制备方法，通过在第一铜板材上依次叠放石墨烯层和第二铜板材，从而形成“铜—石墨烯—铜”的夹层结构，制备得到的石墨烯夹层胚样采用累积叠轧焊法进行轧制，制备得到的石墨烯铜基复合材料，利用石墨烯的高导电性以及石墨烯铜复合体系的复合效应和协同效应，在材料中形成完整石墨烯导流通道，获得高导电线缆材料，经过退火处理后使其具备更好的导电性及机械性能，广泛用于电工领域中的输电线缆，具有明显的技术优势。
同时本发明提供的石墨烯铜基复合材料的制备方法以特定的方式引入石墨烯以对传统精铜进行改性，开发出室温下导电率＞100％IACS(20℃)，同时兼具良好机械性能的综合性输电线缆材料，用于电力线缆时具有轻量化、便捷的使用优势。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
本实施例提供一种石墨烯铜基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)分别对第一铜板材和第二铜板材采用丙酮超声清洗，然后在第一铜板材上铺设石墨烯层，石墨烯层由5～10层的单原子层石墨烯形成，单原子层石墨烯的厚度为1nm，然后在石墨烯层上铺设第二铜板材，使石墨烯层夹在第一铜板材和第二铜板材之间形成“铜—石墨烯—铜”的夹层结构，得到石墨烯夹层胚样；所述第一铜板材和第二铜板材的铜含量为99.9％，所述第一铜板材和第二铜板材的厚度均为3mm，长度均为60mm，宽度均为20mm；
2)对夹层胚样沿z轴方向向下轧制，轧制温度为25℃，轧制速度为10mm/min，当下压形变量达到50％后，将夹层胚样从中间剪切分成两部分，上下堆叠后再次轧制，以此作为一个循环工序，循环次数为7次，得到粗坯；
3)对粗坯进行退火处理，退火温度为600℃，退火时间为1h，退火后随炉冷却至室温，然后通过挤压成型机将冷却后的样品材料挤压制备成直径为9.5mm的圆柱，最后经过8次冷拉拔工艺将圆柱材料直径拉拔至3.5mm，长1m以上，得到所述石墨烯铜基复合材料。
经元素分析，按照质量百分比计，上述石墨烯铜基复合材料中Cu：99.9％；石墨烯：0.01％，且总C含量为0.013％；以及其它不可避免的微量杂质。
实施例2
本实施例提供一种石墨烯铜基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)分别对第一铜板材和第二铜板材采用丙酮超声清洗，然后在第一铜板材上铺设石墨烯层，石墨烯层由5～10层的单原子层石墨烯形成，单原子层石墨烯的厚度为1.5nm，然后在石墨烯层上铺设第二铜板材，使石墨烯层夹在第一铜板材和第二铜板材之间形成“铜—石墨烯—铜”的夹层结构，得到石墨烯夹层胚样；所述第一铜板材和第二铜板材的铜含量为99.9％，所述第一铜板材和第二铜板材的厚度均为3mm，长度均为60mm，宽度均为20mm；
2)对夹层胚样沿z轴方向向下轧制，轧制温度为25℃，当下压形变量达到50％后，将夹层胚样从中间剪切分成两部分，上下堆叠后再次轧制，以此作为一个循环工序，循环次数为7次，得到粗坯；
3)对粗坯进行退火处理，退火温度为500℃，退火时间为1.5h，退火后随炉冷却至室温，然后通过挤压成型机将冷却后的样品材料挤压制备成直径为9.5mm的圆柱，最后经过8次冷拉拔工艺将圆柱材料直径拉拔至3.5mm，长1m以上，得到所述石墨烯铜基复合材料。
经元素分析，按照质量百分比计，上述石墨烯铜基复合材料中Cu：99.4％；石墨烯：0.1％，且总C含量为0.3％；以及其它不可避免的微量杂质。
实施例3
本实施例提供一种石墨烯铜基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)分别对第一铜板材和第二铜板材采用丙酮超声清洗，然后在第一铜板材上铺设石墨烯层，石墨烯层由10～20层的单原子层石墨烯形成，单原子层石墨烯的厚度为2nm，然后在石墨烯层上铺设第二铜板材，使石墨烯层夹在第一铜板材和第二铜板材之间形成“铜—石墨烯—铜”的夹层结构，得到石墨烯夹层胚样；所述第一铜板材和第二铜板材的铜含量为99.9％，所述第一铜板材和第二铜板材的厚度均为3mm，长度均为60mm，宽度均为20mm；
2)对夹层胚样沿z轴方向向下轧制，轧制温度为25℃，当下压形变量达到50％后，将夹层胚样从中间剪切分成两部分，上下堆叠后再次轧制，以此作为一个循环工序，循环次数为7次，得到粗坯；
3)对粗坯进行退火处理，退火温度为500℃，退火时间为2h，退火后随炉冷却至室温，然后通过挤压成型机将冷却后的样品材料挤压制备成直径为9.5mm的圆柱，最后经过8次冷拉拔工艺将圆柱材料直径拉拔至3.5mm，长1m以上，得到所述石墨烯铜基复合材料。
经元素分析，按照质量百分比计，上述石墨烯铜基复合材料中Cu：99.5％；石墨烯：0.1％，且总C含量为0.2％；以及其它不可避免的微量杂质。
实施例4
本实施例提供一种石墨烯铜基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)分别对第一铜板材和第二铜板材采用丙酮超声清洗，然后在第一铜板材上铺设石墨烯层，石墨烯层由5～10层的单原子层石墨烯形成，单原子层石墨烯的厚度为2nm，然后在石墨烯层上铺设第二铜板材，使石墨烯层夹在第一铜板材和第二铜板材之间形成“铜—石墨烯—铜”的夹层结构，得到石墨烯夹层胚样；所述第一铜板材和第二铜板材的铜含量为99.9％，所述第一铜板材和第二铜板材的厚度均为3mm，长度均为60mm，宽度均为20mm；
2)对夹层胚样沿z轴方向向下轧制，轧制温度为25℃，当下压形变量达到50％后，将夹层胚样从中间剪切分成两部分，上下堆叠后再次轧制，以此作为一个循环工序，循环次数为8次，得到粗坯；
3)对粗坯进行退火处理，退火温度为600℃，退火时间为2h，退火后随炉冷却至室温，然后通过挤压成型机将冷却后的样品材料挤压制备成直径为9.5mm的圆柱，最后经过8次冷拉拔工艺将圆柱材料直径拉拔至3.5mm，长1m以上，得到所述石墨烯铜基复合材料。
经元素分析，按照质量百分比计，上述石墨烯铜基复合材料中Cu：99.3％；石墨烯：0.3％，且总C含量为0.5％；以及其它不可避免的微量杂质。
对比例1(同实施例1相比)
本对比例提供一种石墨烯铜基复合材料的制备方法，其与实施例1的区别在于步骤2)所述粗坯采用连轧连铸工艺制得。
对比例2(同实施例1相比)
本对比例提供一种铜基复合材料的制备方法，其与实施例1的区别在于步骤1)中分别对第一铜板材和第二铜板材采用丙酮超声清洗，然后在第一铜板材上铺设第二铜板材，得到胚样；所述第一铜板材和第二铜板材的铜含量为99.9％，所述第一铜板材和第二铜板材的厚度均为3mm，长度均为60mm，宽度均为20mm。
对比例3
本对比例提供一种石墨烯铜基复合材料的制备方法，其与实施例1的区别在于步骤3)中不对粗坯进行退火处理，而是直接将粗坯通过挤压成型机将冷却后的样品材料挤压制备成直径为9.5mm的圆柱，最后经过8次冷拉拔工艺将圆柱材料直径拉拔至3.5mm，长1m以上，得到所述石墨烯铜基复合材料。
对比例4
本对比例提供一种石墨烯铜基复合材料的制备方法，其与实施例2的区别在于步骤3)中不对粗坯进行退火处理，而是直接将粗坯通过挤压成型机将冷却后的样品材料挤压制备成直径为9.5mm的圆柱，最后经过8次冷拉拔工艺将圆柱材料直径拉拔至3.5mm，长1m以上，得到所述石墨烯铜基复合材料。
对比例5
本对比例提供一种石墨烯铜基复合材料的制备方法，其与实施例3的区别在于步骤3)中不对粗坯进行退火处理，而是直接将粗坯通过挤压成型机将冷却后的样品材料挤压制备成直径为9.5mm的圆柱，最后经过8次冷拉拔工艺将圆柱材料直径拉拔至3.5mm，长1m以上，得到所述石墨烯铜基复合材料。
对比例6
本对比例提供一种石墨烯铜基复合材料的制备方法，其与实施例4的区别在于步骤3)中不对粗坯进行退火处理，而是直接将粗坯通过挤压成型机将冷却后的样品材料挤压制备成直径为9.5mm的圆柱，最后经过8次冷拉拔工艺将圆柱材料直径拉拔至3.5mm，长1m以上，得到所述石墨烯铜基复合材料。
对比例7
本对比例提供一种石墨烯铜基复合材料的制备方法，其与对比例1的区别在于步骤3)中不对粗坯进行退火处理，而是直接将粗坯通过挤压成型机将冷却后的样品材料挤压制备成直径为9.5mm的圆柱，最后经过8次冷拉拔工艺将圆柱材料直径拉拔至3.5mm，长1m以上，得到所述石墨烯铜基复合材料。
对比例8
本对比例提供一种铜基复合材料的制备方法，其与对比例2的区别在于步骤3)中不对粗坯进行退火处理，而是直接将粗坯通过挤压成型机将冷却后的样品材料挤压制备成直径为9.5mm的圆柱，最后经过8次冷拉拔工艺将圆柱材料直径拉拔至3.5mm，长1m以上，得到所述铜基复合材料。
实验例
分别测试各实施例和对比例制得的铜基复合材料的导电率和机械性能，其中导电率按照GBT 3048.4-2007电线电缆电性能试验方法标准进行，结果如表1所示。
表1性能测试结果
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
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