CN102218540B - 石墨烯/金属纳米复合物粉末及其制造方法 - Google Patents

石墨烯/金属纳米复合物粉末及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了石墨烯/金属纳米复合物粉末及其制造方法。该石墨烯/金属纳米复合物粉末包括基体金属和分散在所述基体金属中的石墨烯。该石墨烯充当基体金属用增强材料。石墨烯以薄膜形式介入基体金属的金属颗粒之间并与金属颗粒结合。基体金属中含有的石墨烯的体积分数大于0体积％且小于30体积％，该范围对应于以下界限：在该界限内能够防止由于石墨烯之间的反应引起的石墨烯的结构变化。

Description

石墨烯/金属纳米复合物粉末及其制造方法
技术领域
所描述的技术大体上涉及纳米复合物粉末及其制造方法，更特别地，涉及石墨烯/金属纳米复合物粉末及其制造方法。
背景技术
金属是一种具有良好强度以及高导热性和高导电性的材料。同时，因为金属由于其高延展性而比其他材料更容易加工，因此金属可以以各种形式用于各行各业。
近年来，对将可适用于各种工业领域的纳米技术应用于金属来获得金属纳米粉末的制备方法进行了大量的研究。特别地，除了金属的自身特性之外，随着金属颗粒尺寸的降低新发现的金属纳米粉末的机械特性和物理特性得到了广泛关注。具体而言，由于表面效应、体积效应以及颗粒之间的相互作用所引起的新特征，期望将金属纳米粉末应用于高级材料，例如高温结构材料、工具材料、电磁材料、以及用于过滤器和传感器的材料。此外，许多研究已经集中于维持或提高常规金属粉末的特性或改善常规金属粉末的机械特性。
发明内容
本发明提供含有石墨烯/金属纳米复合物粉末的材料，其具有增强的机械特性。
另外，本发明提供一种具有增强的机械特性的含有石墨烯/金属纳米复合物粉末的材料的制造方法。
一个实施方式中，提供了石墨烯/金属纳米复合物粉末。该石墨烯/金属纳米复合物粉末包括基体金属(base metal)以及分散在所述基体金属中并且充当所述基体金属用增强材料的石墨烯。该石墨烯以薄膜形式介入基体金属的金属颗粒之间，并且与金属颗粒结合。基体金属中含有的石墨烯体积分数大于0体积％，且小于30体积％，该范围对应于以下界限：在该界限内可以防止由于石墨烯之间的反应引起的石墨烯的结构变化。
另一实施方式中，提供了一种石墨烯/金属纳米复合物材料。该金属纳米复合物材料含有上述石墨烯/金属纳米复合物粉末，并且是一种使用粉末烧结工艺制备的烧结材料。
另一实施方式中，提供了一种石墨烯/金属纳米复合物粉末的制造方法。该方法包括使石墨烯氧化物(graphene oxide)分散在溶剂中。在分散有石墨烯氧化物的溶剂中提供基体金属的金属盐。此后，对石墨烯氧化物和所述金属盐进行还原，从而制备其中石墨烯以薄膜形式分散在基体金属的金属颗粒之间的金属纳米复合物粉末。分散的石墨烯充当基体金属用增强材料，其体积分数大于0体积％且小于30体积％，该范围对应于以下界限：在该界限内可以防止由于石墨烯之间的反应引起的石墨烯的结构变化。
又一实施方式中，提供了一种石墨烯/金属纳米复合物材料的制备方法。该方法包括使石墨烯氧化物分散在溶剂中。在分散有石墨烯氧化物的溶剂中提供基体金属的金属盐。对该溶剂中含有的金属盐进行氧化以形成金属氧化物。对石墨烯氧化物和所述金属氧化物进行还原，由此制备其中石墨烯以薄膜形式分散在基体金属的金属颗粒之间的粉末。分散的石墨烯作为基体金属用增强材料，并控制其体积分数大于0体积％，且小于30体积％，该范围对应于以下界限：在该界限内可以防止由于石墨烯之间的反应引起的石墨烯的结构变化。
又一实施方式中，提供一种石墨烯/金属纳米复合物材料的制造方法。该方法包括通过在基体金属熔点的约50％～80％的温度，对使用本发明一个实施方式的方法所制备的石墨烯/金属纳米复合物粉末进行烧结而形成块状材料。
该发明内容以简述形式来介绍摘选的概念，在以下具体实施方式中会进一步说明所述概念。该发明内容并不是意图要确定所要求保护主题的关键特征或必要特征，也不是意图用其来作为确定所要求保护主题范围的一种辅助。
附图说明
通过参考附图对本发明的示例性实施方式进行详细说明，本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点对本领域普通技术人员而言更加明显。
图1A和1B为一个实施方式的石墨烯/金属纳米复合物粉末的扫描电子显微镜(SEM)图像；
图2为一个比较例的石墨烯/金属纳米复合物粉末的SEM图像；
图3A和3B分别为根据一个实施方式和一个比较例制造的块状材料的断口SEM图像；
图4为说明一个实施方式的石墨烯/金属纳米复合物粉末的制造方法的流程图；
图5为说明另一实施方式的石墨烯/金属纳米复合物粉末的制造方法的流程图；
图6为一个实施方式的石墨烯/铜(Cu)纳米复合物粉末的透射电子显微镜(TEM)图像；
图7为一个实施方式的石墨烯/镍(Ni)纳米复合物粉末的SEM图像；
图8为一个实施方式的石墨烯/Cu纳米复合物粉末的SEM图像；
图9为显示一个实施方式的石墨烯/Cu纳米复合物粉末的应力-应变特性的测量结果的图；和
图10为显示一个实施方式的石墨烯/Cu纳米复合物粉末的应力-应变特性的测量结果的图。
发明详述
应该容易理解，通常如本文附图中描述和说明的本发明的组件能够以各种不同的构造进行布置和设计。因此，以下对本发明的设备和方法的实施方式进行的更详细说明，如附图中所示，并不意图限制所要求保护的本发明的范围，其只不过代表本发明的实施方式的特定实施例。通过参考附图可以最好地理解目前描述的实施方式，所述附图中类似的部件始终由类似的数字表示。此外，附图不必须是按比例的，为清楚起见，层和区域的尺寸和相对尺寸可能进行了扩大。
还应该理解的是，当称元件或层在另一元件或层“上”时，该元件或层可以直接在其它元件或层上，或者可以存在插入元件或层。
本发明中所使用的术语“石墨烯”是指其中多个碳原子互相共价键合以形成多环芳香族分子的单层或多层材料。共价键合的碳原子可以为例如五元、六元或七元的环状基本重复单元。
在本发明中，“石墨烯/金属”复合物粉末是指含有金属或其合金作为基体金属的粉末，在该粉末中石墨烯分散在基体金属中。该“基体金属”包括性地指作为粉末基体的各种金属或合金。本文所用的术语“石墨烯/金属纳米复合物粉末”是指含有金属或金属合金作为基体金属的纳米级复合物粉末，在该纳米级复合物粉末中石墨烯分散在基体金属中。在一个实例中，“石墨烯/铜(Cu)纳米复合物粉末”是指含有Cu或Cu合金作为基体金属的纳米级复合物粉末，在该纳米级复合物粉末中石墨烯分散在基体金属中。纳米级是指直径、长度、高度或宽度为约10μm以下。
石墨烯/金属纳米复合物粉末
本发明一个实施方式的石墨烯/金属纳米复合物粉末可以包括基体金属以及分散在基体金属中的石墨烯。石墨烯以薄膜形式介入基体金属的金属颗粒之间，同时与金属颗粒结合。石墨烯可以为碳(C)原子的单层或多层，例如，厚度为约100nm以下的膜。根据一个实施方式，基体金属可以为金属或合金，其含有选自但并不限于由铜(Cu)、镍(Ni)、钴(Co)、钼(Mo)、铁(Fe)、钾(K)、钌(Ru)、铬(Cr)、金(Au)、银(Ag)、铝(Al)、镁(Mg)、钛(Ti)、钨(W)、铅(Pb)、锆(Zr)、锌(Zn)以及铂(Pt)组成的组中的至少一种。根据另一实施方式，可以使用在溶剂中形成金属盐的各种金属中的一种作为基体金属。下文中，参考图1来说明使用Cu作为基体金属的一个实施方式。
图1A和1B为一个实施方式的石墨烯/金属纳米复合物粉末的扫描电子显微镜(SEM)图像。具体而言，图1A为其中未分散有石墨烯的Cu基体金属的SEM图像，图1B为分散有石墨烯的石墨烯/Cu基体金属的SEM图像。
当对图1A和1B进行比较时，通过将石墨烯130分散在Cu基体金属中来制造一个实施方式的石墨烯/Cu纳米复合物粉末。图1A显示在Cu基体金属中Cu颗粒110规则地结合的排列。与之相反，如图1B所示，将石墨烯/Cu纳米复合物粉末构造成使Cu基体金属与石墨烯混合。Cu基体金属中含有的Cu金属颗粒120的尺寸可以为几百个nm或更小。在Cu基体金属中，石墨烯130以薄膜形式介入金属颗粒120之间。石墨烯130可以分散在Cu基体金属中并与金属颗粒120结合以及充当增强材料来改善机械特性，例如Cu基体金属的拉伸强度。但是，在一个实例中，当分散在Cu基体金属中的石墨烯130的量超出预定的阈值时，发明人发现石墨烯130发生结构变化，这归因于由于石墨烯130之间的反应引起石墨烯130之间的凝聚和团聚。在一个实施例中，石墨烯130的结构变化可以为石墨烯130的结构改变为石墨等。已发现一部分纳米复合物粉末中的石墨烯130的结构变化可能减弱石墨烯130改善Cu基体金属的机械特性的功能。因此，可以对分散在Cu基体金属中的石墨烯130的量进行适当控制，使其具有约30体积％的阈值。因此，可以将纳米复合物粉末中含有的石墨烯130控制到体积分数为大于0体积％且小于30体积％。图1B中所示的一个实施方式的石墨烯/金属纳米复合物粉末的石墨烯体积分数为约5体积％。
图2为一个比较例的石墨烯/金属纳米复合物粉末的SEM图像。图2所示的该比较例的石墨烯/金属纳米复合物粉末可以含有Cu 210作为基体金属，并且具有的石墨烯体积分数为约30体积％。如图2中所示，在石墨烯体积分数为约30体积％的石墨烯/金属纳米复合物粉末的情况下，由于在石墨烯/Cu纳米复合物粉末中石墨烯230之间的反应导致石墨烯230可以发生凝聚或团聚。当石墨烯230凝聚或团聚时，可能妨碍石墨烯230在Cu基体金属中的均匀分散。因此，石墨烯230作为用于改善Cu基体金属的机械特性的增强材料的功能可能劣化。
如上所述，在本发明一个实施方式的石墨烯/金属纳米复合物粉末中，可以将分散在基体金属中的石墨烯控制到体积分数大于0体积％且小于30体积％。石墨烯可以与基体金属的金属颗粒结合，并充当用于改善基体金属的机械特性的增强材料。根据其他实施方式，充当导电材料的石墨烯可以与基体金属的金属颗粒结合以改善基体金属的电特性(例如导电率)。已知石墨烯具有约20000cm2/Vs～50000cm2/Vs的高迁移率。因此，通过将石墨烯与基体金属的金属颗粒结合而制造的本发明的纳米复合物粉末可应用于高附加值的组件材料，例如高传导性、高弹性的线涂材料或耐磨涂布材料。
根据其他实施方式，可以使用粉末烧结工艺将本发明的石墨烯/金属纳米复合物粉末转变为块状材料。即，可以对石墨烯/金属纳米复合物粉末进行烧结以形成块状材料。根据一个实施方式，烧结工艺可以在高压下于基体金属熔点的约50％～80％的温度进行。对应于块状材料的纳米复合物材料可应用于诸如连接器材料或电子封装材料等电磁组件材料，或诸如高强度高弹性结构用材料等金属复合物材料。可以使用石墨烯体积分数大于0体积％且小于30体积％的石墨烯/金属纳米复合物粉末来制造本发明一个实施方式的块状材料。
图3A和3B分别为根据一个实施方式和一个比较例制造的块状材料的断口SEM图像。图3A显示了通过对含有体积分数为约1体积％的石墨烯的石墨烯/Cu纳米复合物粉末进行烧结而制造的块状材料，以及图3B显示了通过对含有体积分数为约30体积％的石墨烯的石墨烯/Cu纳米复合物粉末进行烧结而制造的块状材料。图3A和3B的烧结工艺都在Cu基体金属熔点的50％～80％的温度范围内于相同条件下进行的。
参照图3A，可以看出块状材料含有对诸如Cu等延展性金属的粉末进行烧结之后观察到的圆锥形凹陷(conic dimple)310。同样也可以观察到石墨烯330基本上均匀分布在块状材料中。参照图3B，从块状材料的断口未观察到凹陷310。即，可以推断出作为延展性金属的Cu的粉末烧结相对不足。因此，可以推断由于石墨烯含量为30体积％，石墨烯/Cu纳米复合物粉末的烧结受到抑制。
石墨烯/金属纳米复合物粉末的制造方法
图4为说明一个实施方式的石墨烯/金属纳米复合物粉末的制造方法的流程图。参照图4，在操作410中，提供石墨烯氧化物并使其分散在溶剂中。可以使用诸如Hummers法或改良Hummers法等已知方法使石墨烯氧化物从石墨结构中分离。例如，在Hummers等的Journal of the American Chemical Society 1958，80，1339中公开了Hummers法，该论文中公开的技术可以构成本发明的技术的一部分。
上述溶剂可以含有例如乙二醇，但并不限于此。可以使用各种已知的可以使石墨烯氧化物基本上均匀分散于其中的溶剂。该石墨烯氧化物可以是单层氧化的，并且可以通过诸如Hummers法或改良Hummers法等已知方法将其从石墨的碳多层结构中分离。可以使用诸如超声处理法等分散方法使石墨烯氧化物基本上均匀分布。
在操作420中，可以向所述溶剂中提供金属盐。例如，该金属可以但并不限于是含有选自由Cu、Ni、Co、Mo、Fe、K、Ru、Cr、Au、Ag、Al、Mg、Ti、W、Pb、Zr、Zn和Pt组成的组中的至少一种金属的金属或合金，并且可以含有各种在所述溶剂中形成金属盐的金属。在该情况下，可以控制相对于分散在所述溶剂中的石墨烯氧化物的量的金属盐的量。也就是说，为了防止在随后的工艺中由石墨烯氧化物还原成的石墨烯发生凝聚或团聚，可以控制石墨烯氧化物和金属盐的量。根据一个实施方式，可以控制石墨烯氧化物和金属盐的量，使得分散在作为最终产物的石墨烯/金属纳米复合物粉末中的石墨烯的体积分数大于0体积％且小于30体积％。根据发明人，当提供的石墨烯氧化物和金属盐使得石墨烯的体积分数大于30体积％时，已经发现由于石墨烯之间的凝聚或团聚会引起石墨烯发生结构变化。石墨烯的结构变化可以为例如石墨烯转化为石墨等等。即，在石墨烯/金属纳米复合物粉末中转化的石墨烯可以妨碍石墨烯改善基体金属的机械特性的功能。在一个实施例中，使用超声处理法或磁混合法可以使石墨烯氧化物和金属盐在所述溶剂中基本上均匀混合。
在操作430中，可以对石墨烯氧化物和金属盐进行还原。根据一个实施方式，可以向含有石墨烯氧化物和金属盐的溶剂提供还原剂，并且可以使用热处理进行还原工艺。可以使用诸如肼(H2NH2)等还原剂。根据一个实施方式，还原工艺可以包括在还原气氛下于约70℃～100℃的温度对含有石墨烯氧化物、金属盐和还原剂的溶液进行热处理。由于该还原工艺，可以获得石墨烯/金属纳米复合物粉末，该石墨烯/金属纳米复合物粉末含有作为基体金属的金属和以薄膜形式介入基体金属的金属颗粒之间的石墨烯。
此外，使用乙醇或水对所获得的石墨烯/金属纳米复合物粉末进行洗涤以除去杂质。例如，可以通过使用烘箱在约80℃～100℃的温度进行热处理来干燥石墨烯/金属纳米复合物粉末。根据一些实施方式，可以在含有氢气(H2)的还原气氛中对所获得的石墨烯/金属纳米复合物粉末进行热处理。结果，可以除去石墨烯/金属纳米复合物粉末中残留的杂质(如氧(O))，由此改善石墨烯的结晶性。例如，可以利用管式熔炉使用含氢气体作为反应性气体来进行氢致热处理。例如，氢致热处理可以在约300℃～700℃的温度进行约1小时～4小时。
图5为说明另一实施方式的石墨烯/金属纳米复合物粉末的制备方法的流程图。参照图5，在操作510中，提供石墨烯氧化物并使其分散在溶剂中。可以使用诸如Hummers法或改良Hummers法等已知方法使石墨烯氧化物从石墨结构中分离。例如，在Hummers等的Journal of the American Chemical Society 1958，80，1339中公开了Hummers法，该论文中公开的技术可以构成本发明的技术的一部分。
该溶剂可以为蒸馏水或醇，但并不限于此。可以使用各种已知的可以使石墨烯氧化物基本上均匀分散于其中的溶剂。该石墨烯氧化物可以时单层氧化的，并且可以使用诸如Hummers法或改良Hummers法等已知方法将其从石墨烯的碳多层结构中分离。可以使用诸如超声处理法等分散方法使石墨烯氧化物基本上均匀分布。
在操作520中，可以向所述溶剂中提供金属盐。例如，该金属可以但并不限于是含有选自由Cu、Ni、Co、Mo、Fe、K、Ru、Cr、Au、Ag、Al、Mg、Ti、W、Pb、Zr、Zn和Pt组成的组中的至少一种金属的金属或合金，并且含有各种在所述溶剂中形成金属盐的金属。在该情况下，可以控制相对于分散在所述溶剂中的石墨烯氧化物的量的金属盐的量。也就是说，为了防止在随后的工艺中由石墨烯氧化物还原成的石墨烯发生凝聚或团聚，可以控制石墨烯氧化物和金属盐的量。根据一个实施方式，可以控制石墨烯氧化物和金属盐的量，使得分散在作为最终产物的石墨烯/金属纳米复合物粉末中的石墨烯的体积分数大于0体积％且小于30体积％。根据发明人，当提供的石墨烯氧化物和金属盐使得石墨烯的体积分数大于30体积％时，已经发现由于石墨烯之间的凝聚或团聚会引起石墨烯发生结构变化。石墨烯的结构变化可以为例如石墨烯转化为石墨等等。即，在石墨烯/金属纳米复合物粉末中转化的石墨烯可以妨碍石墨烯改善基体金属的机械特性的功能。在一个实施例中，使用例如超声处理法或磁混合法可以石墨烯氧化物和金属盐在所述溶剂中基本上均匀混合。
在操作530中，可以对所述溶剂中含有的金属盐进行氧化以产生金属氧化物。根据一个实施方式，可以向含有石墨烯氧化物和金属盐的溶剂提供氧化剂，并且可以使用热处理进行氧化工艺来产生金属的氧化物。氧化剂可以为例如氢氧化钠(NaOH)。根据一个实施方式，该氧化工艺可包括在约40℃～100℃的温度对含有石墨烯氧化物、金属盐和氧化剂的溶液进行热处理。由于氧化工艺，从金属盐产生金属氧化物。结果，石墨烯氧化物与金属氧化物结合以形成复合物粉末。石墨烯氧化物和金属氧化物之间的结合包括性地是指石墨烯氧化物和金属氧化物之间的物理结合或化学结合。
然后，将含有石墨烯氧化物和金属氧化物的复合物粉末从溶剂中分离。在一个实施方式中，使用离心式分离器从溶剂中进行复合物粉末的分离。可以使用水和乙醇对从其除去溶剂的复合物粉末进行洗涤。可以在真空下使用较细孔隙率的过滤器和泵过滤复合物粉末。因而，可以获得含有石墨烯氧化物和金属氧化物的较纯复合物粉末。
在操作540中，可以将石墨烯氧化物和金属氧化物还原。根据一个实施方式，可以在还原气氛中对含有石墨烯氧化物和金属氧化物的复合物粉末进行热处理。在一个实例中，可以在具有氢气气氛的还原炉中于约200℃～800℃的温度将复合物粉末还原1小时～6小时。结果，由于还原工艺，可以获得石墨烯/金属纳米复合物粉末，该石墨烯/金属纳米复合物粉末含有作为基体金属的金属和以薄膜形式介入基体金属的金属颗粒之间的石墨烯。
通过上述实施方式的工艺，可以制造其中石墨烯分散在基体金属中并且与基体金属的金属颗粒结合的石墨烯/金属纳米复合物粉末。根据一些实施方式，可以将所制备的纳米复合物粉末烧结以形成块状材料。根据一个实施方式，烧结工艺可以在高压下于基体金属熔点的约50％～80％的温度进行。在一个实例中，可以在约50MPa的压力下于约500℃～900℃的温度对石墨烯/Cu纳米复合物粉末进行烧结。
通过上述实施方式的工艺，可以制造石墨烯/金属纳米复合物粉末。石墨烯/金属纳米复合物粉末中含有的石墨烯可以与基体金属的金属颗粒结合并且充当用于改善基体金属的机械特性的增强材料。根据其他实施方式，充当导电材料的石墨烯可以与基体金属结合以改善石墨烯/金属纳米复合物粉末的电特性。已知石墨烯具有约20000cm2/Vs～50000cm2/Vs的高迁移率。因此，通过将石墨烯与基体金属的金属颗粒结合而制造的本发明的石墨烯/金属纳米复合物粉末可应用于高附加值的组件材料，例如高传导性、高弹性的线涂材料或耐磨涂布材料。
根据一些实施方式，可以将对应于使用上述烧结工艺形成的块状材料的纳米复合物材料应用于诸如连接器材料或电子封装材料等电磁组件材料，或诸如高强度高弹性结构用材料等金属复合物材料。
在下文中，会参考具体实施例和实验例详细地描述使用本发明任一实施方式的方法制造的石墨烯/金属纳米复合物粉末；然而，这些实施例只是说明性的以更好的理解本发明，而不是限制本发明的范围。
实施例1
应用Cu和Ni作为本发明一个实施方式的石墨烯/金属纳米复合物粉末的基体金属。首先，使用Hummers法从石墨生产石墨烯氧化物粉末。将该石墨烯氧化物加入到乙二醇溶剂后，使用超声处理法使石墨烯氧化物均匀分散在乙二醇溶剂中。结果，制备了石墨烯氧化物分散液。
将铜水合物(copper hydrate)和镍水合物(nickel hydrate)作为金属盐分别加入所制备的石墨烯氧化物分散液中。向含有石墨烯氧化物和铜水合物的混合物的溶液中加入作为还原剂的肼，并且对该溶液进行热处理以制备其中石墨烯分散在Cu基体金属中的石墨烯/Cu纳米复合物粉末。同样，向含有石墨烯氧化物和镍水合物的混合物的溶液中加入作为还原剂的肼，并且对该溶液进行热处理以制备其中石墨烯分散在Ni基体金属中的石墨烯/Ni纳米复合物粉末。使用乙醇和水对所制备的石墨烯/Cu纳米复合物粉末和石墨烯/Ni纳米复合物粉末进行冲洗，并在烘箱中进行干燥。所制造的石墨烯/Cu纳米复合物粉末具有的石墨烯体积分数为约5体积％，并且所制造的石墨烯/Ni纳米复合物粉末具有的石墨烯体积分数为约1体积％。
为了评价本发明一个实施方式的石墨烯/金属纳米复合物粉末的机械特性，制备了另外的石墨烯/Cu纳米复合物粉末。使用乙二醇溶剂将12mg的石墨烯氧化物与16g的作为铜水合物的单水乙酸铜(II)混合。使用本发明的上述方法制造石墨烯/Cu纳米复合物粉末，并且该石墨烯/Cu纳米复合物粉末中含有的石墨烯的体积分数为0.69体积％，其表示0.17重量％的重量分数。
实施例2
将Cu用作本发明一个实施方式的石墨烯/金属纳米复合物粉末的基体金属。首先，使用Hummers法从石墨生产石墨烯氧化物粉末。将该石墨烯氧化物加入到蒸馏水后，使用超声处理法使石墨烯氧化物均匀分散在蒸馏水中。结果，制备了石墨烯氧化物分散液。
将作为铜水合物的单水乙酸铜(II)与所制备的石墨烯氧化物分散液混合。提供氢氧化钠(NaOH)作为氧化剂，并且在约80℃的温度对所述混合物进行热处理以制备含有石墨烯氧化物和氧化铜的复合物粉末。使用离心式分离器将复合物粉末从蒸馏水中分离并且在真空下过滤。在氢气还原炉中使用热处理对所述复合物粉末进行还原以制造其中石墨烯分散在Cu基体金属中的石墨烯/Cu纳米复合物粉末。所制造的石墨烯/Cu纳米复合物粉末具有的石墨烯体积分数为5体积％。
实验例
拍摄实施例1中所获得的石墨烯体积分数为5体积％的石墨烯/Cu纳米复合物粉末以及石墨烯体积分数为1体积％的石墨烯/Ni纳米复合物粉末的SEM图像。另外拍摄石墨烯体积分数为5体积％的石墨烯/Cu纳米复合物粉末的透射电子显微镜(TEM)图像。测量实施例1的石墨烯体积分数为约0.69％的石墨烯/Cu纳米复合物粉末以及纯Cu粉末的每一个的应力-应变特性以对实施例1的石墨烯体积分数为约0.69％的石墨烯/Cu纳米复合物粉末以及纯Cu粉末的机械特性进行比较并评估比较结果。
拍摄实施例2中所获得的石墨烯体积分数为5体积％的石墨烯/Cu纳米复合物粉末的SEM图像。测量根据实施例2的石墨烯体积分数为约5体积％的石墨烯/Cu纳米复合物粉末以及纯Cu粉末的每一个的应力-应变特性以对实施例2的石墨烯体积分数为约5体积％的石墨烯/Cu纳米复合物粉末以及纯Cu粉末的机械特性进行比较并评估比较结果。
评价
图6为一个实施方式的石墨烯/Cu纳米复合物粉末的TEM图像。具体而言，图6为使用实施例1的方法制备的石墨烯体积分数为5体积％的石墨烯/Cu纳米复合物粉末的TEM图像。图7为一个实施方式的石墨烯/Ni纳米复合物粉末的SEM图像。具体而言，图7为使用实施例1的方法制备的石墨烯体积分数为1体积％的石墨烯/Ni纳米复合物粉末的SEM图像。图8为一个实施方式的石墨烯/Cu纳米复合物粉末的SEM图像。具体而言，图8为使用实施例2的方法制备的石墨烯体积分数为5体积％的石墨烯/Cu纳米复合物粉末的SEM图像。
参照图1B和图8的SEM图像以及图6的TEM图像，Cu基体金属中含有的金属颗粒120、620和820的尺寸为几百nm或更小。可以观察到在Cu纳米复合物粉末中的体积分数为5体积％的石墨烯130以薄膜形式介入Cu基体金属的金属颗粒120、620和820之间。参照图7，可以观察到体积分数为1体积％的石墨烯730以薄膜形式介入Ni基体金属的金属颗粒720之间。
图9为显示一个实施方式的石墨烯/Cu纳米复合物粉末的应力-应变特性的测量结果的图，该图使用实施例1的石墨烯体积分数为0.69体积％的石墨烯/Cu纳米复合物粉末以及纯Cu粉末获得。参照图9，可以观察到石墨烯/Cu纳米复合物粉末在弹性区和塑性区比纯Cu粉末具有更高的拉伸应力。例如，石墨烯/Cu纳米复合物粉末在约0.01以上的应变部分比纯Cu粉末有高出约30％的拉伸应力。因此，可以推测出石墨烯分散在Cu基体金属中，与Cu基体金属的Cu颗粒结合，并且作为增强材料来增加纳米复合物粉末的机械强度。
图10为显示一个实施方式的石墨烯/Cu纳米复合物粉末的应力应变特性的测量结果的图，该图使用实施例2的石墨烯体积分数为5体积％的石墨烯/Cu纳米复合物粉末以及纯Cu粉末获得。参照图10，石墨烯/Cu纳米复合物粉末的屈服强度为约221MPa，而纯Cu粉末的屈服强度为约77.1MPa。此外，石墨烯/Cu纳米复合物粉末的弹性模量为72.5GPa，而纯Cu粉末的弹性模量为46.1GPa。因此，石墨烯/Cu纳米复合物粉末在弹性区显示出比纯Cu粉末更好的机械特性。
在塑性区，石墨烯/Cu纳米复合物粉末的拉伸强度为约245MPa，而纯Cu粉末的拉伸强度为约202MPa，从而可以看出石墨烯/Cu纳米复合物粉末显示出比纯Cu粉末更好的拉伸强度。但是，石墨烯/Cu纳米复合物粉末的延伸率为约43％，而纯Cu粉末的延伸率为大约12％，所以可以看出纯Cu粉末比Cu纳米复合粉末具有更好的延伸率。
根据本发明的实施方式，石墨烯以薄膜形式介入基体金属的金属颗粒之间并与金属颗粒结合，从而改善了基体金属的机械特性或电特性。
根据本发明的实施方式，可以容易制备具有增强的机械特性或电特性的石墨烯/金属纳米复合物粉末。
以上是对本发明的示例性说明，其不应当解释为对本发明的限制。虽然已经描述了本发明的许多实施方式，本领域技术人员在没有实质性脱离本发明的新颖性教导和优点时，可以容易地意识到对实施方式进行许多改进是可行的。据此，所有此类改进均包括在权利要求所限定的本发明的范围内。因此，应该理解以上是对本发明的示例性说明，其并不解释为限制到所公开的具体实施方式，并且对所公开的实施方式进行的改进，以及其他实施方式，也包括在所附权利要求的范围内。本发明由下述权利要求来限定，权利要求的等同方式同样包括在其中。

Claims (12)

1.石墨烯/金属纳米复合物粉末，所述石墨烯/金属纳米复合物粉末包含：
基体金属；和
石墨烯，所述石墨烯分散在所述基体金属中，并且充当所述基体金属用增强材料，
其中所述基体金属和石墨烯通过对石墨烯氧化物和金属盐进行还原或通过对石墨烯氧化物和金属氧化物进行还原而形成，从而使所述石墨烯以薄膜形式介入所述基体金属的金属颗粒之间，并且与所述金属颗粒物理结合或化学结合，
其中所述基体金属包含选自由铜(Cu)、镍(Ni)、钴(Co)、钼(Mo)、铁(Fe)、钾(K)、钌(Ru)、铬(Cr)、金(Au)、铝(Al)、镁(Mg)、钛(Ti)、钨(W)、铅(Pb)、锆(Zr)、锌(Zn)以及铂(Pt)组成的组中的至少一种，
所述基体金属中分散的石墨烯的体积分数大于0体积％且小于30体积％，该范围对应于以下界限：在该界限内能够防止由于所述石墨烯之间的反应引起的所述石墨烯的结构变化。
2.如权利要求1所述的石墨烯/金属纳米复合物粉末，其中所述金属颗粒的尺寸为1nm～10μm。
3.一种石墨烯/金属纳米复合物材料，所述石墨烯/金属纳米复合物材料充当包含权利要求1所述的石墨烯/金属纳米复合物粉末的粉末烧结材料。
4.一种石墨烯/金属纳米复合物粉末的制造方法，所述方法包括：
(a)使石墨烯氧化物分散在溶剂中；
(b)向分散有所述石墨烯氧化物的溶剂中提供基体金属的金属盐；和
(c)通过对所述石墨烯氧化物和所述金属盐进行还原而形成其中石墨烯以薄膜形式分散在所述基体金属的金属颗粒之间的粉末，
其中分散的石墨烯充当所述基体金属用增强材料，并且控制其体积分数大于0体积％且小于30体积％，该范围对应于以下界限：在该界限内能够防止由于所述石墨烯之间的反应引起的所述石墨烯的结构变化。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述金属盐为盐水合物，该盐水合物包含选自由Cu、Ni、Co、Mo、Fe、K、Ru、Cr、Au、Ag、Al、Mg、Ti、W、Pb、Zr、Zn和Pt构成的组中的至少一种。
6.如权利要求4所述的方法，所述方法还包括(d)使用氢气(H2)在300℃～700℃的温度对所形成的粉末进行热处理。
7.如权利要求4所述的方法，其中操作(c)包括使用还原剂在70℃～100℃的温度对所述石墨烯氧化物和所述金属盐进行还原。
8.一种金属纳米复合物材料的制造方法，所述方法包括通过在高压下于基体金属熔点的50％～80％的温度对根据权利要求4制备的石墨烯/金属纳米复合物粉末进行烧结以形成块状材料。
9.一种金属纳米复合物粉末的制造方法，所述方法包括：
(a)使石墨烯氧化物分散在溶剂中；
(b)向分散有所述石墨烯氧化物的溶剂中提供基体金属的金属盐；
(c)通过对所述溶剂中含有的金属盐进行氧化而形成金属氧化物；和
(d)通过对所述石墨烯氧化物和所述金属氧化物进行还原而形成其中石墨烯以薄膜形式分散在所述基体金属的金属颗粒之间的粉末，
其中所述金属盐为盐水合物，该盐水合物包含选自由Cu、Ni、Co、Mo、Fe、K、Ru、Cr、Au、Al、Mg、Ti、W、Pb、Zr、Zn和Pt构成的组中的至少一种，
其中分散的石墨烯充当所述基体金属用增强材料，并且控制其体积分数大于0体积％且小于30体积％，该范围对应于以下界限：在该界限内能够防止由于所述石墨烯之间的反应引起的所述石墨烯的结构变化。
10.如权利要求9所述的方法，其中操作(d)包括在还原气氛中对含有所述石墨烯氧化物和所述金属氧化物的纳米复合物粉末进行热处理。
11.如权利要求9所述的方法，其中操作(c)包括向含有所述石墨烯氧化物和所述金属盐的溶剂中提供氧化剂，和进行热处理。
12.一种石墨烯/金属纳米复合物材料的制造方法，所述方法包括通过在基体金属熔点的50％～80％的温度对使用权利要求9所述的方法制备的石墨烯/金属纳米复合物粉末进行烧结以形成块状材料。
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