一类石墨烯金属基复合材料及其快速制备方法与流程

1.本发明涉及金属基材料的制备方法技术领域，特别是涉及一类石墨烯金属基复合材料及其快速制备方法。


背景技术：

2.石墨稀是一种新型二维纳米材料，其强度高达1.01tpa，是结构钢的100倍，而密度却是结构钢的1/5。由于石墨烯密度小，提高金属材料强度的同时还能降低材料的密度。石墨烯还具有超高的电子迁移率、电导率、杨氏模量、低热膨胀系数、高热导率等优异物理性能。因此，石墨烯与金属或合金复合制备的石墨烯金属基复合材料，将具有轻质高强、低热膨胀和高热导率，并可改善其导电性等优点，将会在导电、导热、微电子以及航天航空等领域具有重要的应用。但由于石墨烯材料有非常大的比表面积，石墨烯填料趋向于彼此重叠以降低它们的表面能，从而导致在纳米复合材料制备和应用过程中易于产生团聚，并对复合材料的力学性能产生不利影响。此外，金属或合金基体和石墨烯纳米填料之间的密度差距较大，这为石墨烯纳米片在金属或合金基体中的均匀分散带来了巨大困难。
3.如何实现石墨烯在金属或合金基体中的有效分散；如何获得石墨烯纳米填料与金属或合金材料之间的良好界面结合；如何确保在热处理工艺温度下保持石墨烯填料的结构不被破坏。这三个方面是石墨烯金属基复合材料的主要科学和工程问题。其中，石墨烯在金属基体中的有效分散是制备石墨烯金属复合材料所要解决的首要难题。将石墨烯与其它金属、合金粉沫进行简单的机械混合并不能使石墨烯与其它金属、合金粉完全分散均匀，为了减少石墨烯团聚的现象，粉体采用超声分散、湿法机械搅拌混合、球磨、行星式高能球磨、表面改性及静电吸附等都难以解决。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一类石墨烯金属基复合材料及其快速制备方法，以解决现有石墨烯在金属基体中有效分散的问题，有效提升复合材料的电学、力学、热学性能。
5.一类石墨烯金属基复合材料的快速制备方法，包括如下步骤：
6.(1)将石墨烯和膨化剂添加至有机溶剂中混合并超声处理得到分散体；
7.(2)将至少一种金属或合金熔化并进行搅拌；
8.(3)将得到的分散体通过高压喷射器喷射至熔化的金属或合金中，继续搅拌；
9.(4)冷却成型，得到复合材料。
10.如上所述的石墨烯金属基复合材料的快速制备方法，所述步骤(3)中，将得到的分散体通过高压喷射器按照设定喷射量和喷射时间间歇性喷射至熔化的金属或合金中。
11.如上所述的石墨烯金属基复合材料的快速制备方法，所述高压喷射器通过保护气体喷射所述分散体。
12.如上所述的石墨烯金属基复合材料的快速制备方法，将石墨烯、金属粉末/颗粒和膨化剂添加至有机溶剂中混合并超声处理得到分散体。
13.如上所述的石墨烯金属基复合材料的快速制备方法，所述金属粉末/颗粒为铝、铜、金、银、锡、锌、钒、钛、铁、钢、镍、钴、锰、钼、钕、铬、钽、铟、铅、钨、镁、钌、钯、锇、铌、铼、镧、铈、铕、钆、铽、钬、铒、钇、铼中的至少一种。
14.如上所述的石墨烯金属基复合材料的快速制备方法，所述膨化剂为四硼酸钠、松香、氯化钾、碳酸钠、二氧化硅、氟化钙中的至少一种。
15.如上所述的石墨烯金属基复合材料的快速制备方法，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、异丙酮溶液中的至少一种。
16.如上所述石墨烯金属基复合材料的快速制备方法，所述(1)中石墨烯为0.02-4.6份，膨化剂为0.01-1份，有机溶剂为0.8-1.2份。
17.如上所述的石墨烯金属基复合材料的快速制备方法，所述石墨烯为0.02-4.6份，膨化剂为0.01-1份，有机溶剂为0.8-1.2份，金属粉末/颗粒为0.00078-0.0104份。
18.如上所述的石墨烯金属基复合材料的快速制备方法，所述所述(4)中分散体与熔化的金属或合金的比例为0.00075-0.001∶1。
19.如上所述的石墨烯金属基复合材料的快速制备方法，所述(3)中在550-4000度的熔炉中将金属或合金熔化，并充入防氧化气体。
20.一类石墨烯金属基复合材料，所述石墨烯金属基复合材料通过上述的方法制备得到。
21.本发明的有益效果为：本发明一类石墨烯金属基复合材料及其快速制备方法，将石墨烯和膨化剂均匀混合添加至有机溶剂中混合并超声预分散，得到分散体，将分散体灌装在金属件或合金件的腔体中烘干封闭，然后将灌装好的金属件或合金件投入熔化的金属或合金中，金属件或合金件在高温的作用下迅速膨化，不仅有效将石墨烯有效引入到金属基材料中，更重要的是大大提高了石墨烯的分散效果，使石墨烯与金属或合金复合材料之间形成良好接触，从而充分发挥石墨烯材料的特性，有效提升石墨烯金属复合材料的导电、导热、韧性及强度，从而获得高性能石墨烯金属复合材料。本发明高导电导热金属基复合材料的制备方法相较于现有技术可实现金属与石墨烯的优异分散与结合、导电导热性能更好，成本低廉、工艺简单、材料质量更好、更利于大规模生产的优点。
22.本发明石墨烯金属基复合材料可应用于军工、航空、电力电缆、汽车工业、电器工业、半导体领域。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明具体实施例石墨烯铝复合材料截面sem图。
25.图2为本发明具体实施例石墨烯铝复合材料截面处的拉曼光谱图。
26.图3为本发明具体实施例石墨烯铝复合材料截面的sem及eds图。
27.图4为本发明具体实施例高压喷射器的喷头示意图。
28.图5为本发明具体实施例高压喷射器的喷头分解图。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.实施例一
31.本实施例提出了一类石墨烯不锈钢复合材料的快速制备方法，包括如下步骤：
32.(1)将石墨烯和膨化剂添加至有机溶剂中混合并超声处理1小时得到分散体。
33.其中，石墨烯为0.8份，膨化剂为0.09份，有机溶剂为0.8份。
34.膨化剂为四硼酸钠。
35.当然，膨化剂也可以为四硼酸钠、松香、氯化钾、碳酸钠、二氧化硅、氟化钙中的至少一种。
36.有机溶剂为甲醇和丙酮，甲醇和丙酮的体积比为1∶1。
37.当然，有机溶剂也可以为甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、异丙酮溶液中的至少一种。
38.(2)在1200度的熔炉中将不锈钢熔化并进行搅拌，并往熔炉内充入防氧化气体，进行搅拌。
39.(3)将得到的分散体通过高压喷射器喷射至熔化的不锈钢水中，继续搅拌。
40.其中，干燥的分散体与不锈钢的比例为0.0008∶1。
41.优选的，将得到的分散体通过高压喷射器按照设定喷射量和喷射时间间歇性具有冲击性的喷射至熔化的不锈钢水中。高压喷射器通过保护气体喷射分散体。
42.如图4、5所示，为高压喷射器喷头示意图，在喷头内设置若干螺旋形供分散体和气体通过的轨道1，以保证喷射效果。
43.(4)冷却成型，得到复合材料。
44.本实施例还提出了一类石墨烯不锈钢复合材料，通过上述方法制备而成。
45.下表为本实施例复合材料的性能指标：
46.检测项目检测单位检测结果检测方法导热系数w/(m
·
k)231gb/t 36133-2018屈服强度mpa156gb/t 228.1-2010抗拉强度mpa228gb/t 228.1-2010断后伸长率％82gb/t 228.1-2010
47.实施例二
48.本实施例提出了一类石墨烯金属基复合材料的快速制备方法，包括如下步骤：
49.(1)将石墨烯、金属粉末/颗粒和膨化剂添加至有机溶剂中混合并超声处理10小时得到分散体。
50.其中，石墨烯为0.1份，膨化剂为0.05份，有机溶剂为0.9份。
51.金属粉末/颗粒包括：镍0.007份、钴0.00068份、锰0.0003份、钼0.0002份。
52.当然，金属粉末/颗粒也可以为铝、铜、金、银、锡、锌、钒、钛、铁、钢、镍、钴、锰、钼、钕、铬、钽、铟、铅、钨、镁、钌、钯、锇、铌、铼、镧、铈、铕、钆、铽、钬、铒、钇、铼中的至少一种，根据实际需求进行配置即可。但要保证熔炉的温度高于所有金属的熔点。
53.其中，金属粉末/颗粒可以是金属粉末或者金属颗粒或者金属粉末和金属颗粒。
54.膨化剂为四硼酸钠。
55.当然，膨化剂也可以为四硼酸钠、松香、氯化钾、碳酸钠、二氧化硅、氟化钙中的至少一种。
56.有机溶剂为甲醇和丙酮，甲醇和丙酮的体积比为1∶1。
57.当然，有机溶剂也可以为甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、异丙酮溶液中的至少一种。
58.(2)在3000度的熔炉中将不锈钢熔化并进行搅拌，并往熔炉内充入防氧化气体，进行搅拌。
59.(3)将得到的分散体通过高压喷射器喷射至熔化的不锈钢水中，继续搅拌。
60.其中，干燥的分散体与不锈钢的比例为0.00085∶1。
61.优选的，将得到的分散体通过高压喷射器按照设定喷射量和喷射时间间歇性具有冲击性的喷射至熔化的不锈钢水中。高压喷射器通过保护气体喷射分散体。
62.(4)冷却成型，得到复合材料。
63.本实施例还提出了一类石墨烯金属复合材料，通过上述方法制备而成。
64.下表为本实施例复合材料的性能指标：
65.检测项目检测单位检测结果检测方法导热系数w/(m
·
k)237gb/t 36133-2018屈服强度mpa175gb/t228.1-2010抗拉强度mpa258gb/t 228.1-2010断后伸长率％61gb/t 228.1-2010
66.实施例三
67.本实施例提出了一类石墨烯金属铝复合材料的快速制备方法，包括如下步骤：
68.(1)将石墨烯和膨化剂添加至有机溶剂中混合并超声处理1小时得到分散体。
69.其中，石墨烯为2份，膨化剂为为0.9份，有机溶剂为1.1份。
70.膨化剂为四硼酸钠。
71.当然，膨化剂也可以为四硼酸钠、松香、氯化钾、碳酸钠、二氧化硅、氟化钙中的至少一种。
72.有机溶剂为甲醇和丙酮，甲醇和丙酮的体积比为1∶1。
73.当然，有机溶剂也可以为甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、异丙酮溶液中的至少一种。
74.(2)在1000度的熔炉中将铝熔化并进行搅拌，并往熔炉内充入防氧化气体，进行搅拌。
75.(3)将得到的分散体通过高压喷射器喷射至熔化的铝水中，继续搅拌。
76.其中，干燥的分散体与铝的比例为0.0009∶1
77.优选的，将得到的分散体通过高压喷射器按照设定喷射量和喷射时间间歇性具有冲击性的喷射至熔化的铝水中。高压喷射器通过保护气体喷射分散体。
78.(4)冷却成型，得到复合材料。
79.本实施例还提出了一类石墨烯金属铝复合材料，通过上述方法制备而成。
80.如图1所示为本实施例复合材料的样品的截面sem图。图2所示为本实施例复合材料新鲜截面处的拉曼光谱图。金属不会产生拉曼信号，而石墨烯会有明显的拉曼信号，本实
施例有明显的石墨烯拉曼信号，且g峰比d峰明显增强，说明石墨烯成功引入到复合材料中。
81.图3是本实施例样品的新鲜截面图及其对应的eds能谱图。可以看出，本实施例复合材料的含碳量明显增加，说明石墨烯成功与铝混合。
82.下表为本实施例复合材料的性能：
83.检测项目检测单位检测结果检测方法导电率(20℃)％iacs80.5gb/t351-1995屈服强度mpa73gb/t 228.1-2010抗拉强度mpa128gb/t 228.1-2010断后伸长率％50gb/t 228.1-2010
84.实施例四
85.本实施例提出了一类石墨烯金属基铝合金复合材料的快速制备方法，包括如下步骤：
86.(1)将石墨烯、金属粉末/颗粒和膨化剂添加至有机溶剂中混合并超声处理1小时得到分散体。
87.其中，石墨烯为4份，膨化剂为1份，有机溶剂为1.1份。
88.金属粉末包括：铜0.007份、钴0.0008份、锰0.0003份、镁0.0002份。
89.当然，金属粉末/颗粒也可以为铝、铜、金、银、锡、锌、钒、钛、铁、钢、镍、钴、锰、钼、钕、铬、钽、铟、铅、钨、镁、钌、钯、锇、铌、铼、镧、铈、铕、钆、铽、钬、铒、钇、铼中的至少一种，根据实际需求进行配置即可。但要保证熔炉的温度高于所有金属的熔点。
90.其中，金属粉末/颗粒可以是金属粉末或者金属颗粒或者金属粉末和金属颗粒。
91.膨化剂为四硼酸钠。
92.当然，膨化剂也可以为四硼酸钠、松香、氯化钾、碳酸钠、二氧化硅、氟化钙中的至少一种。
93.有机溶剂为甲醇和丙酮，甲醇和丙酮的体积比为1∶1。
94.当然，有机溶剂也可以为甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、异丙酮溶液中的至少一种。
95.(2)在2000度的熔炉中将铝熔化并进行搅拌，并往熔炉内充入防氧化气体，进行搅拌。
96.(3)将得到的分散体通过高压喷射器喷射至熔化的铝水中，继续搅拌。
97.其中，干燥的分散体与铝的比例为0.001∶1
98.优选的，将得到的分散体通过高压喷射器按照设定喷射量和喷射时间间歇性具有冲击性的喷射至熔化的铝水中。高压喷射器通过保护气体喷射分散体。
99.(4)冷却成型，得到复合材料。
100.本实施例还提出了一类石墨烯铝合金复合材料，通过上述方法制备而成。
101.下表为本实施例复合材料的性能：
102.检测项目检测单位检测结果检测方法导电率(20℃)％iacs71.10gb/t351-1995屈服强度mpa85gb/t 228.1-2010抗拉强度mpa140gb/t 228.1-2010断后伸长率％40gb/t 228.1-2010
103.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。