技术领域
[0001] 本
申请涉及铜基-
石墨烯加工技术领域，具体而言，涉及一种采用模具加工铜基-石墨烯的装置。
背景技术
[0002] 石墨烯是sp2杂化
碳原子紧密堆积成的
单层二维蜂窝状晶格结构的
碳质材料，石墨烯具有优异的综合性能，
抗拉强度为125Gpa，
弹性模量为1.0Tpa，热导率为5300W/(m·k)，
电子迁移率为2×105cm2(v·s)，因此，石墨烯常作为理想填料用来制备
复合材料。
[0003]
现有技术中，采用
化学气相沉积法可以将碳源裂解后在铜箔表面沉积生长形成石墨烯，从而制得到铜基石墨烯复合材料。然而，在实际应用中，为了使铜基-石墨烯复合材料具备高导电率和更优的
力学性能，需要将采用上述方法制备出的铜基-石墨烯复合材料进一步加工。
发明内容
[0004] 有鉴于此，本申请提供一种采用模具加工铜基-石墨烯的装置，能够对铜基-石墨烯复合材料再次进行加工，以满足高导电率以及更优的力学性能的要求。
[0005] 具体地，本申请是通过如下技术方案实现的：
[0006] 一种采用模具加工铜基-石墨烯的装置，包括：
[0007]
箱体，所述箱体的内腔为加工区域，所述加工区域为无
氧区域；
[0008] 加
热机构，设置于所述加工区域内，用于将铜基-石墨烯叠层加热至500℃～900℃；以及
[0009] 静模和动模，均设置于所述加工区域内，所述静模在所述加工区域内固定设置，所述静模包括型腔，铜基-石墨烯叠层放置于所述型腔内，所述动模具有靠近所述静模进而
热压所述型腔内铜基-石墨烯叠层的热压行程。
[0010] 可选的，所述箱体包括进料口和出料口，所述装置还包括用于将片状的铜基-石墨烯叠层输入所述加工区域的
输送机构，所述输送机构用于将铜基-石墨烯叠层从所述进料口输入，以及将热压后的材料从所述出料口输出。
[0011] 可选的，所述输送机构包括输送载体，所述输送载体具有输送行程，且包括多个用于固定铜基-石墨烯叠层的固定
位置，铜基-石墨烯叠层固定于所述固
定位置，在所述输送行程中，固定于所述固定位置的铜基-石墨烯叠层通过动模热压于所述型腔内。
[0012] 可选的，所述输送机构还包括放卷机构和收卷机构，所述放卷机构与所述收卷机构分别具有转动行程，所述放卷机构与所述收卷机构在所述转动行程中共同带动所述输送载体产生所述输送行程。
[0013] 可选的，所述装置还包括导向
驱动轮，所述导向驱动轮成组设置，每组导向驱动轮在所述输送载体的上下两侧相对设置且反向转动，用于引导和驱动所述输送载体。
[0014] 可选的，所述装置还包括第一封装箱体，所述第一封装箱体设置于所述箱体的进料侧，用于封装位于所述进料侧的所述输送机构，所述第一封装箱体与所述箱体相接，接合部位环绕所述进料口，所述第一封装箱体的内部设为无氧区域，和/或
[0015] 所述装置还包括第二封装箱体，所述第二封装箱体设置于所述箱体的出料侧，用于封装位于所述出料侧的所述输送机构，所述第二封装箱体与所述箱体相接，接合部位环绕所述出料口，所述第二封装箱体的内部设为无氧区域。
[0016] 可选的，所述装置还包括第一密封机构，所述第一密封机构密封所述进料口，和/或，所述装置还包括第二密封机构，所述第二密封机构密封所述出料口。
[0017] 可选的，所述第一密封机构与所述第二密封机构中的至少一者包括密封
挡板和连接件，所述密封挡板通过所述连接件活动设置于所述箱体，所述密封挡板具有密封所述进料口和解除密封所述进料口的活动行程。
[0018] 可选的，所述输送载体包括镂空，铜基-石墨烯叠层固定于所述镂空处。
[0019] 可选的，所述加热机构包括电源，所述静模与所述动模均由导电材料制成，所述电源的一端与所述静模连接，另一端与所述动模连接，所述动模与所述静模通过铜基-石墨烯叠层导通，流经于铜基-石墨烯叠层的
电流用于加热铜基-石墨烯叠层。
[0020] 可选的，所述动模包括热压铜基-石墨烯叠层的压头部分和与所述压头部分连接的连接部分，所述连接部分用于与压力机连接，所述压头部分与所述连接部分可拆卸连接。
[0021] 可选的，所述动模还包括
隔热件，所述压头部分与所述连接部分之间设置有所述隔热件。
[0022] 可选的，所述装置还包括
温度传感器和温度
控制器，所述
温度控制器根据所述温度传感器获得的温度数据控制所述加热机构的加热功率，所述温度传感器设置于所述静模和/或所述动模内。
[0023] 可选的，在所述热压行程的终点位置处，所述静模与所述动模之间预留有热压间隙，所述热压间隙为铜基-石墨烯叠层总厚度的80％～99％。
[0024] 可选的，所述装置还包括气体通入机构，所述气体通入机构用于向所述加工区域通入防止铜基-石墨烯叠层中的铜基底发生氧化的保护性气体。
[0025] 本申请提供的技术方案可以达到以下有益效果：
[0026] 本申请提供了一种采用模具加工铜基-石墨烯的装置，该装置包括设置在无氧加工区域内的静模、动模和加热机构，加热机构用于将铜基-石墨烯叠层加热至500℃～900℃。静模在加工区域内固定设置，且包括型腔，动模具有靠近静模进而将型腔内的铜基-石墨烯叠层热压成一体式结构的热压行程。热压后，铜基-石墨烯叠层形成一体式的层叠结构，经试验验证，热压后的铜基-石墨烯具有高导电率和优质的力学性能。
附图说明
[0027] 图1是本申请一示例性
实施例示出的采用模具加工铜基-石墨烯的装置的部分结构的剖视图；
[0028] 图2是本申请一示例性实施例示出的采用模具加工铜基-石墨烯的装置的部分结构的另一剖视图；
[0029] 图3是图1中的D-D视图。
具体实施方式
[0030] 这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附
权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
[0031] 在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请
说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示两个及两个以上。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”、“顶部”、“底部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
[0032] 请参考图1至图3，本申请提供一种采用模具加工铜基-石墨烯的装置，该装置用于将铜基-石墨烯叠层热压成一体式结构，铜基-石墨烯叠层包括多层叠置的铜基-石墨烯膜层。
[0033] 铜基-石墨烯膜层可以通过化学气相沉积的方法制备得到，采用的铜基底的厚度不同，则制备出的铜基-石墨烯膜层的厚度不同，铜基底的厚度通常在7μm～50μm范围之间选择，在铜基底生长的石墨烯层的厚度约为1nm。
[0034] 铜基-石墨烯叠层的层数不限，可以根据实际需求选择。例如，可以分别将20层、60层、80层或100层的铜基-石墨烯叠层热压在一起。热压后，多层铜基-石墨烯叠层形成一体式结构的铜基-石墨烯复合材料，其中，铜层和石墨烯层依次交替层叠。
[0035] 具体的，如图1所示，该装置包括箱体10、静模11、动模12和加热机构(图中未示出)。其中，箱体的内腔10为加工区域100，该加工区域100设置为无氧区域。
[0036] 静模11、动模12和加热机构均设置于该加工区域100内，其中，加热机构用于将铜基-石墨烯叠层80加热至500℃～900℃，在500℃～900℃的温度下，通过静模11和动模12可以将铜基-石墨烯叠层热压成一体式结构。实际加工时，铜基-石墨烯叠层80可以加热至800℃～900℃。
[0037] 静模11在加工区域100内固定设置，静模11包括型腔11a，热压时，铜基-石墨烯叠层80放置于型腔11a内。动模12具有向靠近静模11一侧运动进而将型腔11a内的铜基-石墨烯叠层80热压成一体式结构的热压行程。在热压过程中，可以保持动模12施加于铜基-石墨烯叠层80的压力的时间为5min～20min，压强为20Mpa～50Mpa，以确保铜基-石墨烯叠层80可靠地热接合成一体式结构。热压完成后，动模12向远离静模11的一侧运动并复位，完成一个热压工作循环。
[0038] 容易理解的，在热压行程的终点位置处，动模12与静模11之间应预留容纳铜基-石墨烯叠层80的热压间隙。一种示例，该热压间隙可以设置为铜基-石墨烯叠层80的总厚度的80％～99％。进一步，热压间隙可以设置为铜基-石墨烯叠层80的总厚度的95％～99％。通过设置热压间隙，可以增加铜基-石墨烯叠层80热压后接合的可靠度。
[0039] 下面对热压后的铜基-石墨烯的导电率和力学性能进行实验验证。具体实验数据请详见表1～表5。其中表1～表4为测试样件的参数列表。
[0040] 表1
[0041]
[0042] 表2
[0043]
[0044] 表3
[0045]
[0046]
[0047] 表4
[0048]
[0049] 对表1至表4中的20个样件进行导电率以及机械性能的测试，测试结果如表5所示。
[0050] 表5
[0051]
[0052]
[0053] 从表5分析可知，热压后的铜基-石墨烯复合材料的导电率为109.4％～119.8％，抗拉强度Rm为205MPa～212MPa，规定塑性延伸强度Rp0.2为72MPa～76MPa，实际
压缩力F为9864N～11090N，维氏硬度HV0.2为54.3～55.5。由此可知，热压后的铜基-石墨烯复合材料具有高导电率和优质的力学性能。
[0054] 请继续参考图1，对于采用模具加工铜基-石墨烯的装置而言，该装置更加适应于片状铜基-石墨烯叠层的加工，且片状铜基-石墨烯叠层的外形尺寸与型腔11a的尺寸相关。
[0055] 本申请中，为了提高对片状铜基-石墨烯叠层的加工效率，该装置还包括输送机构13，输送机构13可以将多个片状铜基-石墨烯叠层80依次输入加工区域100。具体的，箱体10包括进料口10a和出料口10b，输送机构13从进料口10a将铜基-石墨烯叠层80输入，并将热压后的材料从出料口10b输出。该方案可以提高热压效率，并能够有效保持加工区域100内的无氧环境。
[0056] 一种示例，输送机构13包括输送载体130，输送载体130具有输送行程，用于输送铜基-石墨烯叠层。输送载体130可以设置为耐高温材质，具体可以根据加工区域100内的温度选择。
[0057] 输送载体130包括多个用于固定铜基-石墨烯叠层的固定位置，固定位置可以沿输送载体130的输送方向依次排布，各铜基-石墨烯叠层80一一固定于各固定位置。在输送载体130的输送行程中，固定于固定位置内的铜基-石墨烯叠层80通过动模12被热压于型腔11a内，形成一体式结构。
[0058] 铜基-石墨烯叠层80固定于输送载体130的固定方式不限，一种示例，可以采用压爪将层叠的片状铜基-石墨烯叠层80的四个
角固定，确保多层叠好的铜基-石墨烯叠层80在热压过程不会散落。另一种示例，还可以设置输送载体130包括凹陷部，铜基-石墨烯叠层80放置于凹陷部内，通过凹陷部的
侧壁对铜基-石墨烯叠层80进行限位，确保层叠后的整齐度。此情况下，热压时，凹陷部与铜基-石墨烯叠层80需一起被动模12压入型腔11a内。
[0059] 另一种示例中，可以设置输送载体130包括镂空，铜基-石墨烯叠层80在镂空处固定于输送载体130，这样，在热压时，可以仅热压铜基-石墨烯叠层80，而输送载体130不会被热压。
[0060] 当然，还有其它方案可供选择，例如，还可以设置两条平行的输送载体130，两条输送载体130一同输送，铜基-石墨烯叠层80固定在两条输送载体130的间隙处，该间隙即为镂空，这样也可以使得动模12仅热压到铜基-石墨烯叠层80。
[0061] 实现输送载体130产生输送行程的方式有多种示例，本示例中，该装置还包括放卷机构132和收卷机构134，在箱体10的进料侧，输送载体130通过放卷机构132放卷，在箱体10的出料侧，输送载体130通过收卷机构134收卷。这使得输送载体130能够分别在箱体10的两侧通过放卷机构132和收卷机构134收纳起来，有利于提高装置的简洁性和紧凑性，并且可以确保输送载体130在输送行程中的顺畅性。
[0062] 具体的，放卷机构132与收卷机构134分别具有转动行程，放卷机构132转动可以实现输送载体130的释放，收卷机构134转动可以实现输送载体130的收卷。在实际加工过程中，放卷机构132与收卷机构134在转动行程中共同带动输送载体130产生输送行程。
[0063] 请参考图2，放卷机构132包括传动组件1320和放卷辊1322，其中，传动组件1320包括动力源和与动力源传动连接的传动部，传动部带动放卷辊1322转动，释放输送载体130。
[0064] 同理，收卷机构134包括传动组件1340和收卷辊1342，其中，传动组件包括动力源和与动力源传动连接的传动部，传动部带动收卷辊1342转动，收卷输送载体130。
[0065] 本示例中，放卷机构132中的传动部与收卷机构134中的传动部均采用链传动机构，这样，放卷辊1322和收卷辊1342可以通过
链轮的带动而转动。当然，传动部的具体实施方式不仅限于此。
[0066] 需要说明的是，输送载体130的输送方向不限，可以是沿图1中从左至右的方向输送，也可以沿图1中从右至左的方向输送，在不同的输送方向下，放卷辊1322和收卷辊1342的作用可以互换。另外，还可以在热压前将铜基-石墨烯叠层通过
冷轧的方式预压在一起，避免在运输过程中铜基-石墨烯叠层散落和错位。
[0067] 请参考图1和图2，该装置还包括导向驱动轮14，导向驱动轮14成组设置，每组导向驱动轮14在输送载体130的上下两侧相对设置且反向转动，用于引导和驱动输送载体130，保证输送过程中方向的一致性和顺畅性。
[0068] 本示例中，导向驱动轮14设置有八组，其中两个导向驱动轮14为一组，沿输送载体130的长度方向间隔设置。八组导向驱动轮14中，两组设置于进料口10a处，两组设置于出料口10b处，两组设置于放卷机构132的放卷侧，两组设置于收卷机构134的收卷侧。
[0069] 请继续参考图1，装置还包括第一封装箱体15，第一封装箱体15设置于箱体10的进料侧，用于封装位于进料侧的输送机构13，第一封装箱体15与箱体10相接，接合部位环绕进料口10a，第一封装箱体15的内部设为无氧区域。这样设置后，第一封装箱体15可以使得铜基-石墨烯叠层80在进入加工区域100之前便处于无氧环境，由此减小外界空气进入加工区域100的
风险。
[0070] 本实例中，第一封装箱体15包括分体设置的第一部分150和第二部分152，其中，第一部分150用于封装放卷机构132已经放卷出的输送载体130，第二部分152用于封装放卷机构132，且第一部分150与第二部分152相接。当然，在其它示例中，第一封装箱体15也可以设置为一体式结构。
[0071] 可参考的，装置还包括第二封装箱体16，第二封装箱体16设置于箱体10的出料侧，用于封装位于出料侧的输送机构13，第二封装箱体16与箱体10相接，接合部位环绕出料口10b，第二封装箱体16的内部设为无氧区域。这样设置后，第二封装箱体16可以使得铜基-石墨烯叠层80在输出加工区域100后仍然处于无氧环境，由此可以减小热压后铜基-石墨烯叠层80被氧化的风险。
[0072] 本实例中，第二封装箱体16包括分体设置的第一部分160和第二部分162，其中，第一部分160用于封装从加工区域100输出的输送载体130，第二部分160用于封装收卷机构134，第一部分160与第二部分162相接。当然，在其它示例中，第二封装箱体16也可以设置为一体式结构。
[0073] 进一步，还可以在箱体10进料口10a处、出料口10b处设置密封机构，使得箱体10与第一封装箱体15以及箱体10与第二封装箱体16之间隔离，这样设置后，在第一封装箱体15以及第二封装箱体16内的任何操作都不会加工区域100内的无氧状态，避免外界空气从进料口10a和出料口10b逸入加工区域100。
[0074] 具体的，装置还可以包括第一密封机构17，第一密封机构17用于密封进料口10a，由于第一封装箱体15内为无氧区域，因此，可以简化第一密封机构17的结构。一种示例，第一密封机构17可以包括密封挡板170和连接件172，密封挡板170通过连接件172安装于箱体10，且相对于箱体10活动设置，密封挡板170配置成具有密封进料口10a和解除密封进料口
10a的活动行程。该方案中，通过拨动密封挡板170即可实现对进料口10a的密封或解除对进料口10a的密封。
[0075] 装置还可以包括第二密封机构18，第二密封机构18用于密封出料口10b，第二密封机构18可以参考第一密封机构17的结构设置，此处不再赘述。
[0076] 在图1所示的实施例中，装置包括设置于进料口10a处的第一密封机构17和设置于出料口10b处的第二密封机构18，并且，在第一封装箱体15的第一部分150与第二部分152之间可以设置密封机构20，在第一封装箱体16的第一部分160与第二部分162之间可以设置密封机构30，以使得在各个箱体内形成独立的密封区域。这样，可以减少加工区域100内热量的散失，且能够满足连续加工区域100内密封度1pa的要求。
[0077] 该装置还包括多个抽
真空机构19，抽真空机构19分别设置于箱体10、第一封装箱体15和第二封装箱体16，抽真空机构19可以使得箱体10、第一封装箱体15和第二封装箱体16的内部形成无氧区域。
[0078] 这里所说的“无氧”并不是指的严格意义上的无氧，而是含氧量远远低于正常
水平，且对铜基底造成的氧化可以忽略不计。
[0079] 进一步，该装置还可以包括气体通入机构，气体通入机构设置于箱体10，用于向加工区域100通入保护性气体，例如氦气、氮气、氩气以及二氧化碳等气体，以进一步降低铜基-石墨烯叠层80发生氧化的风险。保护性气体通入的压强可以为20Mpa～100Mpa。
[0080] 该装置中，还可以在第一封装箱体15内设置预热机构，预热机构用于预热铜基-石墨烯叠层80。预热机构可以在热压之前预热铜基-石墨烯叠层80，使得铜基-石墨烯叠层80的温度由常温逐渐上升。预热后的温度可以约为压热压时温度的50％～80％。
[0081] 预热机构可以包括电磁
感应加热器，
电磁感应加热器通过电磁感应的方法使得铜基-石墨烯叠层80的内部产生电流，依靠
涡流的
能量达到加热的目的。电磁感应加热器无需借助空气作为
传热介质，因此，即使在真空环境下，也可以将铜基-石墨烯叠层80加热。在装置中，电磁感应加热器可以设置于外箱体14的内壁，向靠近铜基-石墨烯叠层80的一侧伸出。
[0082] 此外，还可以在第二封装箱体16内设置冷却机构，用于冷却热压后的材料。
[0083] 请再次参考图1，前述中已知，加热机构用于加热铜基-石墨烯叠层80，加热机构的设置方式有多种，一种示例，加热机构可以设置于箱体10的内壁，通
过热辐射向铜基-石墨烯叠层80传递热量。另一种示例，加热机构也可以设置于静模11或动模12内，通过与铜基-石墨烯叠层
接触时的热传递方式加热铜基-石墨烯叠层80。
[0084] 本示例中，加热机构包括电源，静模11和动模12均设置为导电材料，例如，石墨
电极。电源的一端与静模11连接，另一端与动模12连接，当动模12与型腔11a内的铜基-石墨烯叠层80接触时，包括静模11、动模12以及铜基-石墨烯叠层80在内的电连接回路导通，此时，铜基-石墨烯叠层80可以通过流经自身的电流被加热。
[0085] 在热压过程中，为了对加工区域100的温度进行有效控制，装置还包括温度传感器23和温度控制器(图中均未示出)，温度控制器根据温度传感器23获取到的温度数据调节加热机构的加热功率，以保持热压时温度的恒定。
[0086] 一种示例，温度传感器23可以设置于静模11内或者设置于动模12内，又或者，温度传感器23分别设置于静模11和动模12内。温度传感器23可以设置多个，彼此间隔排布，以此提高温度感测的准确度(参考图2)。
[0087] 另一方面，为了避免热量散失，提高加热效率，箱体10还包括保温层101，保温层101可以起到保温效果，有利于保持加工区域100内的温度恒定，且减少
热损失。
[0088] 请参考图3，动模12包括热压铜基-石墨烯叠层80的压头部分120和与压头部分120连接的连接部分122，连接部分122用于与压力机连接，压头部分120与连接部分122可拆卸连接。可选择的示例中，压头部分120与连接部分122可以采用
螺纹连接，
螺纹连接结构可靠性高，但不仅限于此。
[0089] 上述结构可以单独选择压头部分120的材料，例如压头部分120的材料可以选择模具
钢、
合金钢以及石墨等高性能材料，其它部分可以采用普通钢材料即可，以节约材料成本。另一方面，当维修和更换压头部分120时，不需要更换连接部分122，又可以降低维修成本。
[0090] 压头部分120与连接部分122的连接部位处可以设置隔热件。一方面，隔热件可以大大减少压头部分120的热量传递至连接部分122，由此降低热量损失；另一方面，还可以通过隔热件改善压力机的工况。
[0091] 下面说明采用本申请提供的装置加工片状铜基-石墨烯复合材料的过程。
[0092] 将固定有铜基-石墨烯叠层80的卷绕状的输送载体130安装于放卷辊1322，将输送载体130的起始端穿过加工区域100后固定于收卷辊1342，固定后，对第一封装箱体15、箱体10以及第二封装箱体16分别抽真空后通入保护性气体；
[0093] 运行放卷机构132和收卷机构134，使得输送载体130将铜基-石墨烯叠层80输入加工区域100内，当输送载体130将铜基-石墨烯叠层80输送至型腔11a的上方时暂停，动模12下压铜基-石墨烯叠层80，此时，连接电源、动模12、铜基-石墨烯叠层80以及静模11的电连接回路导通，将铜基-石墨烯叠层80加热至500℃～900℃；
[0094] 在压强为20Mpa～50Mpa、热压温度为500℃～900℃的热压条件下，保持动模12热压于铜基-石墨烯叠层80的热压时间为5min～20min，将铜基-石墨烯叠层80热压成一体式结构；
[0095] 热压时间到，动模12抬起，继续对下一个铜基-石墨烯叠层80进行热压，直到固定在输送载体130上的铜基-石墨烯叠层80被全部热压；
[0096] 通过密封机构30将第二封装箱体16的第二部分162密封，将热压后的铜基-石墨烯复合材料从收卷辊1342卸下，从第二部分162内卸下收卷辊1342；
[0097] 通过密封机构20将第一封装箱体15的第二部分152密封，将固定有铜基-石墨烯叠层80的卷绕状的输送载体130安装于放卷辊1322，对第一封装箱体15的第二部分150和第二封装箱体16的第二部分162抽真空后通入保护性气体；
[0098] 解除密封机构20和密封机构30的密封，将输送载体130的起始端穿过加工区域100后固定于收卷辊1342，准备开始下一个热压工作循环。
[0099] 以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。
