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一种石墨烯-铜基复合材料及其制备方法和应用
成果类型：: 发明专利
发布时间: 2023-10-29 15:44:55
科技成果产业化落地方案
方案提交机构：天津市滨海新区| 宋学姮 | 2023-11-04 13:36:55
本发明公开了一种石墨烯‑铜基复合材料及其制备方法和应用。其中，石墨烯‑铜基复合材料的制备方法包括：以磷铜为阳极，以含有铜离子、氯离子、硫酸、氧化石墨烯的混合溶液为电镀液，通过电沉积法，即在阴极基底上得到沉积产物石墨烯‑铜基复合材料镀层。本发明通过改变氧化石墨烯在电镀液中的含量，可以调控纳米孪晶铜的晶粒形态、孪晶片层方向等微观组织特征，不仅制备得到了纳米孪晶铜的石墨烯‑铜基复合材料，而且大幅提升了铜基材料的塑韧性，在柔性电子等技术领域具有潜在的应用价值。
1.一种石墨烯-铜基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
以磷铜为阳极，以含有铜离子、氯离子、硫酸、氧化石墨烯的混合溶液为电镀液，通过电沉积法，即在阴极基底上得到沉积产物石墨烯-铜基复合材料镀层。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电沉积法选自直流电沉积法、脉冲电沉积法、复合共沉积法和喷射电沉积法中的至少一种；
优选地，所述电沉积法为直流电沉积法。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电镀液还包括孪晶促进剂；
优选地，所述电镀液为酸性电镀液，pH为0.05～2；
优选地，所述电镀液中：所述铜离子的含量为0.3～0.6mol/L；所述氯离子的含量为0.5～1.5mmol/L；所述孪晶促进剂的含量为0.03～1.1g/L；所述氧化石墨烯的含量为0.1～0.6g/L。
铜由于具有良好的机械性能、导电导热性能，被广泛用于电气、电子、集成电路封装材料等领域。2004年中国科学院金属研究所卢柯院士团队利用脉冲电沉积方法发明制备了一种由等轴孪晶构成的具有高强度兼顾优良导电性的纳米孪晶纯铜材料。以脉冲电沉积法制备的纳米孪晶铜材料在具有高强度的同时具备一定的塑韧性，但在实际生产中，纳米孪晶铜材料更多是以更简单高效的直流电沉积法制备。虽然直流电沉积法制备的纳米孪晶铜材料具有较高的强度，但是其塑韧性却较差。以一种或几种金属或非金属作为增强相与金属基体制备的复合材料不仅能够改善金属基的韧性及疲劳等力学性能，同时还赋予复合材料导电导热、耐磨、热膨胀系数小、阻尼性好、不吸湿、不老化和无污染等优点。
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上述技术方案具有如下优点或者有益效果：
本发明以含有铜离子、氯离子、硫酸、氧化石墨烯的混合溶液为电镀液，以磷铜为阳极，通过电沉积法制备石墨烯-铜基复合材料；所制备的复合材料中铜的微观组织包括等轴晶、柱状晶等晶粒形态，其中晶粒内含有高密度纳米孪晶片层，片层方向可以是水平分布、垂直分布或随机各向异性的，而石墨烯存在于晶界或晶内。本发明以磷铜作为提供铜源的阳极材料，减缓电沉积过程中阳极铜的快速溶解；电镀液的酸性环境与孪晶促进剂相互作用，而孪晶促进剂可以促进形成高密度孪晶；氯离子用以活化电极，并与其它添加剂形成协同作用，促进铜沉积。此外，氧化石墨烯与孪晶促进剂也存在相互作用，通过改变氧化石墨烯在电镀液中的含量，可以发挥类似电镀添加剂的功能，改变氧化石墨烯的含量可以调控纳米孪晶铜的晶粒形态、孪晶片层方向等微观组织特征。因此电沉积过程中，铜离子、氢离子、氯离子、孪晶促进剂、氧化石墨烯通过相互作用，形成纳米孪晶铜组织以及石墨烯-铜基复合材料。
相比于现有技术，本发明具备以下优点：
本发明提供的制备方法，通过改变氧化石墨烯在电镀液中的含量，改变氧化石墨烯的含量可以调控纳米孪晶铜的晶粒形态、孪晶片层方向等微观组织特征，获得晶粒内含有高密度水平分布、垂直分布或随机各向异性的纳米孪晶片层的等轴晶、柱状晶等晶粒形态的铜基体，而石墨烯存在于铜基体的晶界或晶内。
本发明提供的制备方法，不仅通过电沉积法制备得到了纳米孪晶铜的石墨烯-铜基复合材料，而且大幅提升了纳米孪晶铜基材料的塑韧性，在柔性电子等技术领域具有潜在的应用价值；
本发明提供的制备方法绿色环保、操作简单、成本低廉、设备简易，能够推广适用于先进集成电路封装、印制线路板制造、制备电连接器等电镀铜技术相关领域。
技术合作
对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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