CN105385870B - 一种石墨烯/铝复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯/铝复合材料的制备方法，包括以下步骤：将氧化石墨烯水溶液超声处理，使其分散均匀；将所得的氧化石墨烯水溶液降温到5℃以下，搅拌状态下缓慢加入铝粉，控制温度小于5℃，搅拌速度在100~1000转/分钟，搅拌时长在1~2小时，得到含有铝粉的氧化石墨烯均匀水溶液；经低温离心工艺进行固液分离，分离后的膏状固体经冷冻干燥工艺处理后，得到氧化石墨烯/铝复合干燥粉末；将其在Ar/H2混合气中进行热还原，最终制得石墨烯/铝复合材料。本发明制备的石墨烯/铝复合材料，具有高强度、低热膨胀系数等优点，比刚度和比强度系数也将显著增强，并且制备方法简单、高效，易于实现产业化生产及应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料的制备方法，特别涉及一种石墨烯/铝复合材料的制备方法。
背景技术
石墨烯是迄今为止实验室发现的最坚韧、导电和导热最好的材料，其强度高达1.01TPa，是结构钢的100倍，但密度却是结构钢的1/5。由于石墨烯的低密度、高力学性能、高导热性能以及低热膨胀性能，被认为是一种非常有前途的增强体。将石墨烯加入到金属基体中获得一类新型复合材料，此类型复合材料具有人们所需要的特性及功能，因此利用石墨烯增强金属基（尤其是铝基）复合材料的研究受到人们的广泛关注。
自2011年起，各国研究人员就已经开始研究制备石墨烯/铝复合材料。Bartolucci等人利用热压烧结+挤压变形的方法制备了质量分数为0.1%的石墨烯/铝复合材料；Latief等人采用粉末冶金的方法，制备了质量分数最高为5%的石墨烯/Al复合材料；Bastwros等人采用热压烧结法制备了质量分数为1%的石墨烯/铝复合材料。固态法工艺简单，易于实现石墨烯均匀分散性，但难以制备高强度及低膨胀系数的高品质石墨烯/铝复合材料，产业化应用前景并不乐观。液态法则可以实现高品质石墨烯/铝复合材料的制备，并且工艺简单，经济性价比高，易于实现产业化生产及应用。
发明内容
针对上述固态法制备的石墨烯/铝复合材料品质较低、强度不高的问题，本发明提供一种采用液态法制备高品质石墨烯/铝复合材料的方法，所制备的复合材料，具有高强度、低热膨胀系数等优点，并易于实现产业化生产及应用。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种石墨烯/铝复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将氧化石墨烯水溶液超声处理，使其分散均匀，待用；
（2）将步骤（1）所得的氧化石墨烯水溶液降温到5℃以下，搅拌状态下缓慢加入铝粉，控制温度小于5℃，搅拌速度在100~1000转/分钟，搅拌时长在1~2小时，得到含有铝粉的氧化石墨烯均匀水溶液；
（3）将步骤（2）得到的水溶液经低温离心工艺进行固液分离，分离后的膏状固体经冷冻干燥工艺处理后，得到氧化石墨烯/铝复合干燥粉末；
（4）将步骤（3）得到的氧化石墨烯/铝复合干燥粉末在Ar/H2混合气中进行热还原，最终制得石墨烯/铝复合材料。
进一步的，步骤（1）中氧化石墨烯水溶液为市售成品，或者利用氧化石墨烯粉末分散于水溶液中，经乳化、超声制成氧化石墨烯水溶液。
进一步的，步骤（1）中所述的氧化石墨烯水溶液中氧化石墨烯的质量浓度为0.1%~5%，氧化石墨烯层数小于9层。
进一步的，步骤（2）中所述铝粉粒度为1~50微米。
进一步的，步骤（2）中所述氧化石墨烯与铝粉质量份配比为：0.0001~0.4:1。
进一步的，步骤（3）中所述离心分离工艺采用各型具有制冷功能的离心机，达到固液分离目的即可。
进一步的，步骤（3）中所述冷冻干燥工艺为：冻干温度维持在-50℃~30℃，冻干时间10~40h，真空度1Pa~300Pa。
进一步的，步骤（4）中所述热还原的温度控制在350℃~550℃，恒温时间为0.1~2h，气流量为80~1000mL/min。
采用上述技术方案的本发明，与现有技术相比，其有益效果是：
①本发明采用液态法制备石墨烯/铝复合材料，工艺简单、经济性价比高、易于实现产业化生产及应用。
②本发明制备得到的石墨烯/铝复合材料，具有高强度、低热膨胀系数等优点，比刚度和比强度系数也将显著增强。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行详细说明，但实施例对本发明不做任何形式的限定。
实施例1：
步骤一，取质量分数为0.1%的石墨烯水溶液150mL，超声20min，使其分散均匀，待用；
步骤二，按氧化石墨烯与铝粉质量比为0.001:1计算，取所得的氧化石墨烯水溶液10g，并降温到5℃以下，在100~1000转/分钟转速下缓慢加入铝粉10g，控制温度小于5℃，搅拌时长在1~2小时，得到含有铝粉的氧化石墨烯均匀水溶液；
步骤三，将步骤二得到的水溶液经低温离心工艺进行固液分离，分离后的膏状固体经冷冻干燥工艺处理后，得到氧化石墨烯/铝复合干燥粉末；
步骤四，将得到的氧化石墨烯/铝复合干燥粉末在Ar/H2混合气中进行热还原，还原温度350℃，恒温时间0.1h，气流量80mL/min，最终制得质量分数为0.1%的石墨烯/铝复合材料。
实施例2：
步骤一，取质量分数为1%的石墨烯水溶液150mL，超声20min，使其分散均匀，待用；
步骤二，按氧化石墨烯与铝粉质量比为0.1:1计算，取所得的氧化石墨烯水溶液100g，并降温到5℃以下，在100~1000转/分钟转速下缓慢加入铝粉10g，控制温度小于5℃，搅拌时长在1~2小时，得到含有铝粉的氧化石墨烯均匀水溶液；
步骤三，同实施例1，不在赘述；
步骤四，将得到的氧化石墨烯/铝复合干燥粉末在Ar/H2混合气中进行热还原，还原温度450℃，恒温时间1h，气流量800mL/min，最终制得质量分数为10%的石墨烯/铝复合材料。
实施例3：
步骤一，取质量分数为2%的石墨烯水溶液150mL，超声20min，使其分散均匀，待用；
步骤二，按氧化石墨烯与铝粉质量比为0.2:1计算，取所得的氧化石墨烯水溶液100g，并降温到5℃以下，在100~1000转/分钟转速下缓慢加入铝粉10g，控制温度小于5℃，搅拌时长在1~2小时，得到含有铝粉的氧化石墨烯均匀水溶液；
步骤三，同实施例1，不再赘述；
步骤四，将得到的氧化石墨烯/铝复合干燥粉末在Ar/H2混合气中进行热还原，还原温度500℃，恒温时间1.5h，气流量600mL/min，最终制得质量分数为20%的石墨烯/铝复合材料。
实施例4：
步骤一，取质量分数为5%的石墨烯水溶液150mL，超声20min，使其分散均匀，待用；
步骤二，按氧化石墨烯与铝粉质量比为0.3:1计算，取所得的氧化石墨烯水溶液60g，并降温到5℃以下，在100~1000转/分钟转速下缓慢加入铝粉10g，控制温度小于5℃，搅拌时长在1~2小时，得到含有铝粉的氧化石墨烯均匀水溶液；
步骤三，同实施例1，不再赘述；
步骤四，将得到的氧化石墨烯/铝复合干燥粉末在Ar/H2混合气中进行热还原，还原温度550℃，恒温时间2h，气流量1000mL/min，最终制得质量分数为30%的石墨烯/铝复合材料。
比较例：
在比较例中，将实施例2中加上制备氧化石墨烯水溶液工序，其他操作与实施例2相同，具体步骤如下：
步骤一，将2g氧化石墨烯粉末分散到198g去离子水中，制成质量分数为1%的氧化石墨烯水溶液，超声20min，使其分散均匀，待用；
步骤二，按氧化石墨烯与铝粉质量比为0.1:1计算，取所得的氧化石墨烯水溶液100g，并降温到5℃以下，在100~1000转/分钟转速下缓慢加入铝粉10g，控制温度小于5℃，搅拌时长在1~2小时，得到含有铝粉的氧化石墨烯均匀水溶液；
步骤三，将步骤二得到的水溶液经低温离心工艺进行固液分离，分离后的膏状固体经冷冻干燥工艺处理后，得到氧化石墨烯/铝复合干燥粉末；
步骤四，将得到的氧化石墨烯/铝复合干燥粉末在Ar/H2混合气中进行热还原，还原温度450℃，恒温时间1h，气流量800mL/min，最终制得质量分数为10%的石墨烯/铝复合材料。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，本发明的保护不限于此，任何本技术领域的技术人员所能想到的与本技术方案技术特征等同的变化或替代，都涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种石墨烯/铝复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将氧化石墨烯水溶液超声处理，使其分散均匀，待用；
（2）将步骤（1）所得的氧化石墨烯水溶液降温到5℃以下，搅拌状态下缓慢加入铝粉，控制温度小于5℃，搅拌速度在100~1000转/分钟，搅拌时长在1~2小时，得到含有铝粉的氧化石墨烯均匀水溶液；
（3）将步骤（2）得到的水溶液经低温离心工艺进行固液分离，分离后的膏状固体经冷冻干燥工艺处理后，得到氧化石墨烯/铝复合干燥粉末；所述的离心分离工艺采用各型具有制冷功能的离心机，达到固液分离目的即可；所述的冷冻干燥条件为：冻干温度维持在-50℃~30℃，冻干时间10~40h，真空度1Pa~300Pa；
（4）将步骤（3）得到的氧化石墨烯/铝复合干燥粉末在Ar/H2混合气中进行热还原，最终制得石墨烯/铝复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯/铝复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中氧化石墨烯水溶液为市售成品，或者利用氧化石墨烯粉末分散于水溶液中，经乳化、超声制成氧化石墨烯水溶液。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯/铝复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的氧化石墨烯水溶液中氧化石墨烯的质量浓度为0.1%~5%，氧化石墨烯层数小于9层。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯/铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述铝粉粒度为1~50微米。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯/铝复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述氧化石墨烯与铝粉质量份配比为：0.0001~0.4:1。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯/铝复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（4）中所述热还原的温度控制在350℃~550℃，恒温时间为0.1~2h，气流量为80~1000mL/min。
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