一种高导电率石墨烯铝基合金材料及其制备方法与流程

本发明涉及石墨烯铝基复合材料，尤其是涉及一种高导电率石墨烯铝基合金材料及其制备方法。

背景技术：

1、石墨烯铝基复合材料是一种低密度、高强度、高导电率的金属基纳米复合材料，在航空航天、电子电力轨道交通等领域广泛应用。目前石墨基铝基复合材料存在以下技术难点：1、石墨烯与铝基合金之间的润湿性较差，界面结合强度低，导致复合材料在受力时界面易成为裂纹萌生源，2、在高温制备过程中，石墨烯与铝基合金容易发生界面反应生成al4c3脆性相，严重损害材料的力学性能和导电性能。

2、为了克服上述技术难点，公开号cn117887991b中采用w/cu对石墨烯进行改性，钨铜复合界面层可以改善复合界面结合、抑制al4c3相生成还能抑制石墨烯团聚实现石墨烯均匀分散，显著提高石墨烯铝基材料的强度和导电性。此外公开号cn106513621b中对石墨烯进行了化学镀镍，通过镍有效隔离石墨烯与铝合金的直接接触，显著抑制了al4c3相的生成，显著提高石墨烯铝基材料的强度和导电性。本发明对上述技术方案进行深入研究后发现上述技术方案中采用的石墨烯的表面化学惰性强、光滑无缺陷金属元素较难在石墨烯表面复合。通常需要进行活化、敏化等处理后才能够进行改性和化学镀，而活化和敏化会对石墨烯产生破坏导致石墨烯的导电性能下降，这导致制成的石墨烯铝基材料的导电性提升有限。

技术实现思路

1、本发明的目的是：提高石墨烯铝基复合材料的机械强度和导电率。

2、本发明采用银、还原剂和氧化石墨烯制备了石墨烯/纳米银复合粉体，再将石墨烯/纳米银复合粉体化学镀镍制成镍镀层石墨烯/纳米银复合粉体，再将镍镀层石墨烯/纳米银复合粉体与铝基合金支撑石墨烯铝基合金材料。通过银和镍的协同作用显著提高石墨烯铝基复合材料的机械强度和导电率。

3、本发明的具体技术方案为：

4、一种高导电率石墨烯铝基合金材料的制备方法，包括以下步骤：

5、（1）将氧化石墨烯分散在溶剂中，再加入银铵络离子溶液和还原剂进行还原处理制成石墨烯/纳米银复合粉体；

6、（2）将石墨烯/纳米银复合粉体置于镍镀液中进行镀层处理制成镍镀层石墨烯/纳米银复合粉体；

7、（3）将镍镀层石墨烯/纳米银复合粉体与铝基合金进行球磨混合制成前驱体粉末；

8、（4）将前驱体粉末进行压制成型、热等静压烧结、固溶和时效处理制成高导电率石墨烯铝基合金材料。

9、作为优选，还原剂为水合肼和葡萄糖中的一种，银氨络离子溶液的浓度为0.01~0.05mol/l；氧化石墨烯与银元素的质量比为1:0.1~1；还原处理的条件包括：温度60~80℃搅拌反应。

10、作为优选，镀层处理的条件包括：镀覆温度为75~85℃，镀覆时间为20~40min；镍镀液的原料包括：20~30 g/l的硫酸镍、20~30g/l次亚磷酸钠、10~15g/l柠檬酸钠和5~10g/l乙酸钠。

11、作为优选，镍镀液的ph为8~9。

12、作为优选，铝基合金为al-mg-si铝合金，al-mg-si铝合金的组成为：0.8~1.5%的mg，0.5~1.2%的si，0.1~0.5%的cu，≤0.2%的fe，余量al及不可避免杂质。

13、作为优选，镍镀层石墨烯/纳米银复合粉体与铝基合金的质量比为0.5~2:100，球磨混合条件包括：球磨速度为200~400r/min，球磨时间为4~8h。

14、作为优选，压制成型为冷等静压成型，冷等静压成型条件包括：压力为200~300mpa，保压时间为5~10min。

15、作为优选，热等静压烧结的条件包括：烧结温度为520~580℃，保温时间为2~4h，压力为100~150mpa。

16、作为优选，固溶处理的条件包括：温度为530~560℃，保温时间为2~4 h，固溶后立即水淬；时效处理的条件包括：一级时效温度为100~120℃，一级时效保温时间为4~6 h，二级时效温度为160~190℃，二级时效保温时间为8~14 h。

17、一种上述制备方法制得的高导电率石墨烯铝基合金材料，包括铝基合金、分散在铝合金基体中的还原氧化石墨烯，还原氧化石墨烯表面负载纳米银颗粒，还原氧化石墨烯表面还设有镍镀层。

18、石墨烯具有优异的导电性能，但石墨烯表面呈现化学惰性、表面洁净无缺陷、且难以被浸润，与金属的界面相容性较差。无有效与铝基合金结合，还无法直接使用金属对其改性。现有技术中通常需要对石墨烯进行活化和敏化才能进行后续工艺，工艺较复杂，且石墨烯铝基合金材料机械强度和导电率提升有限。

19、本发明针对上述问题提供了一种高导电率石墨烯铝基合金材料及其制备方法。本发明采用氧化石墨烯、银离子和还原剂制备石墨烯/纳米银复合粉体，氧化石墨烯表面具有丰富活性官能团，还原剂能够将氧化石墨烯还原为还原氧化石墨烯，并且能够使银在还原氧化石墨烯表面原位形成银纳米颗粒，制成的石墨烯/纳米银复合粉体导电性显著提高。本发明还在石墨烯/纳米银复合粉体进行化学镀镍，通过镍镀层阻隔石墨烯与铝合金的接触显著抑制al4c3相的生成，显著降低al4c3相对石墨烯铝基合金材料的不利影响。通过构建“石墨烯-银-镍”多级界面过渡层，有效改善了石墨烯与铝基体的界面润湿性，抑制了有害界面反应。此外，纳米银颗粒银和镍镀层还具有协同作用，银能在石墨烯表面形成n型掺杂，为还原氧化石墨烯提供电子提高还原氧化石墨烯的载流子，提高还原氧化石墨烯的导电性，镍在还原氧化石墨烯表面又形成了p型掺杂，还原氧化石墨烯的电子会流向镍，使得镍与还原氧化石墨烯形成更牢固的化学锚定，纳米银颗粒与镍镀层能够进一步显著提高石墨烯铝基合金材料的机械强度和导电性能。

20、与现有技术相比，本申请具有以下技术效果：

21、（1）还原氧化石墨烯表面的纳米银颗粒和镍镀层具有协同作用，银与石墨烯形成n型掺杂，能够为还原氧化石墨烯提供电子，提高还原氧化石墨烯的载流子，提高还原氧化石墨烯的导电性能，镍与还原氧化石墨烯能够形成p型掺杂，电子从还原氧化石墨烯流向镍，使镍与还原氧化石墨烯形成更牢固的化学锚定，通过纳米银颗粒和镍镀层的协同作用显著提高石墨烯铝基复合材料的机械强度和导电率；

22、（2）镍镀层还能阻隔石墨烯和铝基合金的接触，显著抑制碳铝al4c3相生成，显著降低al4c3相对复合材料导电性和强度的不利影响。

1.一种高导电率石墨烯铝基合金材料的制备方法，其特征是，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，还原剂为水合肼和葡萄糖中的一种，银氨络离子溶液的浓度为0.01~0.05mol/l；氧化石墨烯与银元素的质量比为1:0.1~1；还原处理的条件包括：温度60~80℃搅拌反应。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，镀层处理的条件包括：镀覆温度为75~85℃，镀覆时间为20~40min；镍镀液的原料包括：20~30 g/l的硫酸镍、20~30g/l次亚磷酸钠、10~15g/l柠檬酸钠和5~10g/l乙酸钠。

4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征是，镍镀液的ph为8~9。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，铝基合金为al-mg-si铝合金，al-mg-si铝合金的组成为：0.8~1.5%的mg，0.5~1.2%的si，0.1~0.5%的cu，≤0.2%的fe，余量al及不可避免杂质。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，镍镀层石墨烯/纳米银复合粉体与铝基合金的质量比为0.5~2:100，球磨混合条件包括：球磨速度为200~400r/min，球磨时间为4~8h。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，压制成型为冷等静压成型，冷等静压成型条件包括：压力为200~300mpa，保压时间为5~10min。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，热等静压烧结的条件包括：烧结温度为520~580℃，保温时间为2~4h，压力为100~150mpa。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，固溶处理的条件包括：温度为530~560℃，保温时间为2~4 h，固溶后立即水淬；时效处理的条件包括：一级时效温度为100~120℃，一级时效保温时间为4~6 h，二级时效温度为160~190℃，二级时效保温时间为8~14 h。

10.一种根据权利要求1~9任一所述的制备方法制得的高导电率石墨烯铝基合金材料，其特征是，包括铝基合金、分散在铝合金基体中的还原氧化石墨烯，还原氧化石墨烯表面负载纳米银颗粒，还原氧化石墨烯表面还设有镍镀层。