双形貌铜石墨烯复合粉体制备铜基丝材的方法及铜基丝材与流程

本申请涉及金属基复合材料制备，尤其涉及双形貌铜石墨烯复合粉体制备铜基丝材的方法及铜基丝材。

背景技术：

1、铜基丝材广泛应用于新能源线束、电子导电引线、射频线缆、超导引线、电机绕组等领域，纯铜丝导电性能优异，但抗拉强度、耐磨性能较差，高温工况下易软化变形，无法满足大功率器件小型化带来的高承载与高温稳定性需求。石墨烯具备超高导电、导热、高强度、高模量特性，将石墨烯与铜粉复合制备铜石墨烯丝材，可同步提升铜丝力学性能与导电导热性能，是高性能导电丝材主流研发方向。

2、现有技术中，铜石墨烯复合粉体的丝材成型工艺普遍采用单一形貌的复合粉体。其中，单一球形铜石墨烯粉体虽具有较好的流动性，烧结活性不足，高温烧结后坯体内部孔隙多，致密度偏低，导致最终丝材存在气孔易断丝，以及导电率、抗拉强度不足的问题。而单一树枝状铜石墨烯粉体拥有较大的比表面积和复杂的枝晶结构，烧结活性很高，能更充分地扩散和结合，但其流动性较差，松装密度较低，模压填充不均匀，压坯易出现局部缺料、分层、气孔缺陷，挤压、拉拔过程裂纹、断丝率较高。目前尚无同时利用两种形貌粉体协同作用的成熟工艺。

技术实现思路

1、本申请提供一种双形貌铜石墨烯复合粉体制备铜基丝材的方法及铜基丝材，可以解决现有技术中单一形貌铜石墨烯复合粉体存在的烧结活性与流动性难以兼顾、致密度低以及断丝率高的技术问题。

2、为实现上述目的，本申请提供一种双形貌铜石墨烯复合粉体制备铜基丝材的方法，包括以下步骤：

3、分别在球形铜粉和树枝状铜粉表面原位生长石墨烯，得到球形铜石墨烯粉末和树枝状铜石墨烯粉末；

4、将所述球形铜石墨烯粉末和所述树枝状铜石墨烯粉末按预定比例混合，得到双形貌复合粉体；

5、对所述双形貌复合粉体进行冷等静压成型，得到压坯；

6、对所述压坯进行真空烧结，得到烧结锭坯；

7、对所述烧结锭坯进行热挤压，得到挤压杆材；

8、对所述挤压杆材进行多道次拉拔，得到铜基丝材。

9、可选地，所述分别在球形铜粉和树枝状铜粉表面原位生长石墨烯的步骤中，以含碳气体为碳源，在800-1000℃温度下进行催化裂解，生长时间为10-30min。

10、可选地，所述含碳气体包括甲烷、乙烯或乙炔中的至少一种，所述含碳气体的浓度为0.1%-0.5%。

11、可选地，所述球形铜粉的粒径为20-80μm，所述树枝状铜粉的粒径为10-50μm。

12、可选地，所述将所述球形铜石墨烯粉末和所述树枝状铜石墨烯粉末按预定比例混合的步骤中，所述球形铜石墨烯粉末与所述树枝状铜石墨烯粉末的质量比为1:3至3:1。

13、可选地，所述混合步骤在v型混合机中进行，混合时间为1-2h，转速为20-40r/min。

14、可选地，所述冷等静压成型的压力为150-250mpa，保压时间为10-20min；所述真空烧结的真空度≤1×10-3pa，烧结温度为900-1050℃，升温速率为5-10℃/min，保温时间为1-2.5h；所述热挤压的挤压比为10:1-25:1，挤压温度为700-900℃。

15、此外，为了实现上述目的，本申请还提供一种由上述方法制备的铜基丝材，所述铜基丝材的直径为0.05-3mm，致密度大于99%，导电率大于102%iacs，抗拉强度大于230mpa，延伸率大于55%。

16、可选地，所述铜基丝材中石墨烯沿丝材轴向定向排列，所述铜基丝材的氧含量小于20ppm。

17、可选地，所述铜基丝材的微观组织中铜晶粒经热挤压和拉拔工艺细化，平均晶粒尺寸为1-5μm。

18、与现有技术相比，本申请具有如下有益效果：

19、本申请提供了一种双形貌铜石墨烯复合粉体制备铜基丝材的方法及铜基丝材，该方案通过分别在球形铜粉和树枝状铜粉表面原位生长石墨烯，实现石墨烯的均匀分散，避免团聚对导电通路的阻断。将球形铜石墨烯粉末和树枝状铜石墨烯粉末按优化比例混合，使树枝状粉体的高烧结活性与球形粉体的高流动性、高填充性协同互补，实现颗粒级配最优化和堆积密度最大化，为后续致密化提供低孔隙率的坯料基础。后续结合冷等静压+真空烧结+热挤压+拉拔工序，旨在制备低成本、高致密、高导电、高塑性的铜石墨烯丝材，可实现工业化大批量生产。

20、具体而言，本申请通过双形貌铜石墨烯复合粉体的级配混合设计，球形粉与树枝状粉的质量比在1:3至3:1之间，优选1:1，使树枝状粉体的高烧结活性加速致密化，而球形粉的高流动性优化颗粒级配，共同提升压坯的致密度，为最终获得高性能丝材打下基础。冷等静压各向同等施压，压坯密度均匀；真空无压烧结摒弃传统热压或sps的加压方式，彻底解决大尺寸模具内温度场不均匀的难题，且在真空环境下可排除大量气体，使得致密度可达到98%以上。后工序热挤压和拉拔使得残余孔隙焊合，使得丝材致密度升至99%以上。最终制备出低成本、高致密、高导电、高塑性的铜石墨烯丝材，并且可实现工业化大批量生产。

1.双形貌铜石墨烯复合粉体制备铜基丝材的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的双形貌铜石墨烯复合粉体制备铜基丝材的方法，其特征在于，所述分别在球形铜粉和树枝状铜粉表面原位生长石墨烯的步骤中，以含碳气体为碳源，在800-1000℃温度下进行催化裂解，生长时间为10-30min。

3.根据权利要求2所述的双形貌铜石墨烯复合粉体制备铜基丝材的方法，其特征在于，所述含碳气体包括甲烷、乙烯或乙炔中的至少一种，所述含碳气体的浓度为0.1%-0.5%。

4.根据权利要求1所述的双形貌铜石墨烯复合粉体制备铜基丝材的方法，其特征在于，所述球形铜粉的粒径为20-80μm，所述树枝状铜粉的粒径为10-50μm。

5.根据权利要求1所述的双形貌铜石墨烯复合粉体制备铜基丝材的方法，其特征在于，所述将所述球形铜石墨烯粉末和所述树枝状铜石墨烯粉末按预定比例混合的步骤中，所述球形铜石墨烯粉末与所述树枝状铜石墨烯粉末的质量比为1:3至3:1。

6.根据权利要求5所述的双形貌铜石墨烯复合粉体制备铜基丝材的方法，其特征在于，所述将所述球形铜石墨烯粉末和所述树枝状铜石墨烯粉末按预定比例混合的步骤是在v型混合机中进行，混合时间为1-2h，转速为20-40r/min。

7.根据权利要求1所述的双形貌铜石墨烯复合粉体制备铜基丝材的方法，其特征在于，所述冷等静压成型的压力为150-250mpa，保压时间为10-20min；所述真空烧结的真空度≤1×10-3pa，烧结温度为900-1050℃，升温速率为5-10℃/min，保温时间为1-2.5h；所述热挤压的挤压比为10:1-25:1，挤压温度为700-900℃。

8.一种由权利要求1-7任一项所述双形貌铜石墨烯复合粉体制备铜基丝材的方法制备的铜基丝材，其特征在于，所述铜基丝材的直径为0.05-3mm，致密度大于99%，导电率大于102%iacs，抗拉强度大于230mpa，延伸率大于55%。

9.根据权利要求8所述的铜基丝材，其特征在于，所述铜基丝材中石墨烯沿丝材轴向定向排列，所述铜基丝材的氧含量小于20ppm。

10.根据权利要求8所述的铜基丝材，其特征在于，所述铜基丝材的微观组织中铜晶粒经热挤压和拉拔工艺细化，平均晶粒尺寸为1-5μm。