CN105695804B - 一种高导热铝基石墨烯复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高导热铝基石墨烯复合材料的制备方法，属于材料表面处理领域。所述方法：将铝片竖直浸入pH为8～8.5的多巴胺水溶液中，静置反应20～80min；将铝片从多巴胺水溶液中取出后，用纯度不小于蒸馏水的水清洗，再将清洗后的铝片竖直浸入氧化石墨烯水溶液中，静置反应2～6h；将铝片从氧化石墨烯水溶液中取出后，用纯度不小于蒸馏水的水清洗，再将清洗后的铝片放入100～300℃下进行退火处理，退火时间为0.5～3h，得到所述高导热铝基石墨烯复合材料。本发明所述方法过程简单、仪器设备操作简便；所制备的铝基石墨烯复合材料具有优异的导热性能。

Description

一种高导热铝基石墨烯复合材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种高导热铝基石墨烯复合材料的制备方法，属于材料表面处理领域。
背景技术：
金属基复合材料是现在研究的热点之一。目前，制备高导热金属复合材料的方法主要集中在以下两方面：一是利用纳米技术，以金属为基本相，研究金属基复合材料；二是利用制备出的高导热材料通过胶接等物理手段实现高导热材料与金属的结合。纳米技术尤其是纳米碳增强金属基复合材料的迅速发展，人们试图得到高导热金属基复合材料。金属材料的热导率好，但是热膨胀系数较大，大多数研究致力于在金属基体中加入热膨胀系数低的纳米粒子和纤维制成金属基复合材料。由于纳米粒子具有高的比表面积和稳定的化学性质，纳米粒子在复合材料中的均匀分散及其与金属基体界面结合的控制成为制备高性能金属基复合材料的难题，而且将二者复合制备的金属基复合材料导热性能都不理想。目前，将石墨烯作为增强相用于制备金属基石墨烯复合材料的方法包括粉末冶金法、熔体搅拌法、化学合成法、电化学沉积法、化学气相沉积法、分子水平混合法和水热合成法等，这些方法主要存在下列问题：石墨烯与熔融金属界面的反应问题，石墨烯在金属基体中如何均匀分散的问题，石墨烯在金属基底上的团聚问题，并且由于混合材料比单质材料导热率差的基本规律决定了其导热率有限。利用制备出的高导热材料通过胶接等物理手段实现高导热材料与金属的结合则由于物理结合的方法决定了其所获得的材料综合性能(如附着力)欠佳，使用受限。如何充分利用这些材料的优势，有望在不破坏金属结构的情况下，在金属基底上获得耐磨损，机械强度高，导热性好的理想的导热材料，是一项具有挑战性的研究课题。
发明内容：
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种高导热铝基石墨烯复合材料的制备方法，所述方法工艺简单、仪器设备操作简便；所制备的高导热铝基石墨烯复合材料解决了金属本身热导率不够高的问题。
本发明的目的是由以下技术方案实现的：
一种高导热铝基石墨烯复合材料的制备方法，所述方法步骤包括：
将铝片竖直浸入pH为8～8.5的多巴胺水溶液中，静置反应20～80min；将铝片从多巴胺水溶液中取出后，用纯度不小于蒸馏水的水清洗，再将清洗后的铝片竖直浸入氧化石墨烯水溶液中，静置反应2～6h；将铝片从氧化石墨烯水溶液中取出后，用纯度不小于蒸馏水的水清洗，再将清洗后的铝片放入100～300℃下进行退火处理，退火时间为0.5～3h，得到所述高导热铝基石墨烯复合材料。
所述多巴胺水溶液的浓度为2～50mg/mL。
所述氧化石墨烯水溶液的浓度为0.005～0.5mg/mL。
有益效果：
本发明所述方法过程简单、仪器设备操作简便，而且在不破坏金属结构的基础上，在金属表面制备了导热性能优越的石墨烯复合物，从而大大改善了金属复合材料的导热性能，解决了石墨烯在金属基体中均匀分散的问题、石墨烯与金属界面的反应问题及石墨烯与基底金属的润湿性问题。
附图说明：
图1是对比例1制备的未退火处理的铝片Ⅱ的扫描电子显微镜(SEM)图。
图2是对比例1制备的200℃退火处理的铝片Ⅱ的扫描电子显微镜图。
图3是对比例1制备的300℃退火处理的铝片Ⅱ的扫描电子显微镜图。
图4是实施例2制备的未退火处理的铝片Ⅰ的扫描电子显微镜图。
图5是实施例2制备的200℃退火处理的铝片Ⅰ的扫描电子显微镜图。
图6是实施例2制备的300℃退火处理的铝片Ⅰ的扫描电子显微镜图。
图7是对比例1制备的未退火处理的铝片Ⅱ、200℃退火处理的铝片Ⅱ及300℃退火处理的铝片Ⅱ的红外光谱对比图。
图8是实施例2制备的未退火处理的铝片Ⅰ、200℃退火处理的铝片Ⅰ及300℃退火处理的铝片Ⅰ的红外光谱对比图。
图9是实施例2制备的未退火处理的铝片Ⅰ、200℃退火处理的铝片Ⅰ及300℃退火处理的铝片Ⅰ的拉曼光谱对比图。
具体实施方式：
下面结合具体实施例对本发明作进一步的阐述。
以下实施例中：
氧化石墨烯的制备方法：将100mL质量分数为98％的浓H2SO4和质量分数为85％的浓H3PO4按9:1的体积比进行混合的混合液加入到装有0.75g石墨和4.85g高锰酸钾的250mL三口瓶中，得到反应溶液；将含有反应溶液的三口瓶在50℃油浴中回流反应12h；待反应溶液冷却至室温后，倒入装有100g冰的500mL烧杯中，再向烧杯中缓慢滴加0.75mL质量分数为30％的H2O2，滴加完H2O2后进行离心，将离心得到的固体物质依次用质量分数为30％的盐酸洗2次、质量分数为5％的盐酸洗4次、蒸馏水反复洗涤至pH值为中性、乙醇洗涤3次；将洗涤后的固体物质溶于100mL乙醚中，再用孔径为0.45μm的PVDF膜过滤，将过滤得到的固体物质在25℃的真空干燥箱中干燥，得到氧化石墨烯。
实施例1
(1)将多巴胺用蒸馏水配置成20mg/mL的水溶液，用NaOH溶液将其pH调为8.5，得到多巴胺水溶液；将氧化石墨烯置于蒸馏水中，然后超声4h，配置成0.5mg/mL的氧化石墨烯水溶液；
(2)铝片依次在乙醇、丙酮、乙醇中分别超声清洗5min，除去铝片表面的油污；
(3)将清洗后的铝片竖直浸入多巴胺水溶液中，静置反应60min；将铝片从多巴胺水溶液中取出后，用蒸馏水清洗，再将铝片竖直浸入氧化石墨烯水溶液中，静置反应3h；将铝片从氧化石墨烯水溶液中取出后，用蒸馏水清洗，再将铝片平放在培养皿中，并放入200℃的烘箱中进行退火处理，退火时间为2h，得到高导热铝基石墨烯复合材料。
为了研究多巴胺溶液中反应时间、氧化石墨烯水溶液中反应时间、退火温度以及退火时间对所制备的铝基石墨烯复合材料热导率的影响，改变溶液中反应时间、氧化石墨烯水溶液中反应时间、退火温度或退火时间中一种以上反应条件，其他反应条件不变，制备铝基石墨烯复合材料。采用正交试验法L9(34)做4因素3水平试验，详见表1和表2。
表1
表2
用激光导热仪测试在不同条件下所制备的铝基石墨烯复合材料的热导率，见表2，所制备的铝基石墨烯复合材料的热导率最高能达到263.5888W·m-1·K-1，较纯铝的热导率129.0741W·m-1·K-1提高了104.2％。由表2中的试验数据可知，铝片在多巴胺水溶液中反应时间为40min，在氧化石墨烯水溶液中反应时间为4h，退火温度为200℃以及退火时间为1h时，所制备的铝基石墨烯复合材料的热导率性能最好。
实施例2
(1)将多巴胺用蒸馏水配置成20mg/mL的水溶液，用NaOH溶液将其pH调为8.5，得到多巴胺水溶液；将氧化石墨烯置于蒸馏水中，然后超声4h，配置成0.5mg/mL的氧化石墨烯水溶液；
(2)铝片依次在乙醇、丙酮、乙醇中分别超声清洗5min，除去铝片表面的油污；
(3)将清洗后的铝片竖直浸入多巴胺水溶液中，静置反应40min；将铝片从多巴胺水溶液中取出后，用蒸馏水清洗，再将清洗后的铝片竖直浸入氧化石墨烯水溶液中，静置反应4h；将铝片从氧化石墨烯水溶液中取出后，用蒸馏水清洗，得到铝片Ⅰ，再将铝片Ⅰ平放在培养皿中，并放入200℃的烘箱中进行退火处理，退火时间为1h，得到200℃退火处理的铝片Ⅰ。
将本实施例中的退火温度变成300℃，其它试验条件不变，得到300℃退火处理的铝片Ⅰ；将本实施例中得到铝片Ⅰ不进行退火处理，得到未退火处理的铝片Ⅰ。
对比例1
(1)将多巴胺用蒸馏水配置成20mg/mL的水溶液，用NaOH溶液将其pH调为8.5，得到多巴胺水溶液；将氧化石墨烯置于蒸馏水中，然后超声4h，配置成0.5mg/mL的氧化石墨烯水溶液；
(2)铝片依次在乙醇、丙酮、乙醇中分别超声清洗5min，除去铝片表面的油污；
(3)将清洗后的铝片竖直浸入多巴胺水溶液中，静置反应60min；将铝片从多巴胺水溶液中取出后，用蒸馏水清洗，得到铝片Ⅱ，再将铝片Ⅱ平放在培养皿中，并放入200℃的烘箱中进行退火处理，退火时间为1h，得到200℃退火处理的铝片Ⅱ。
将本对比例中的退火温度变成300℃，其它试验条件不变，得到300℃退火处理的铝片Ⅱ；将本对比例中得到铝片Ⅱ不进行退火处理，得到未退火处理的铝片Ⅱ。
图1、图2、图3分别是对比例1制备的未退火处理的铝片Ⅱ的SEM图、200℃退火处理的铝片Ⅱ的SEM图及300℃退火处理的铝片Ⅱ的SEM图，从图1、图2、图3中可以看出，铝片与多巴胺水溶液反应后，铝片表面都均匀地覆盖了一层呈条纹状的多巴胺薄膜；其中，在200℃条件下退火处理后的铝片表面所覆盖的多巴胺薄膜层更均匀，在300℃条件下退火处理后的铝片表面所覆盖的多巴胺薄膜层较凌乱。
图4、图5、图6分别是实施例2制备的未退火处理的铝片Ⅰ的SEM图、200℃退火处理的铝片Ⅰ的SEM图及300℃退火处理的铝片Ⅰ的SEM图，从图4、图5、图6中可以看出，氧化石墨烯膜层覆盖在多巴胺膜层上，石墨烯层均呈褶皱状，铝片表面的整体形貌发生了变化，未退火处理的铝片表面有较少的片状物聚集，退火之后的铝片表面的基本形貌没有发生变化，但是膜层更加紧密了；其中，在200℃条件下退火处理后的铝片表面最均匀，密实。
图7是对比例1制备的铝片Ⅱ的红外光谱图；其中，a、b、c分别是未退火处理的铝片Ⅱ、200℃退火处理的铝片Ⅱ及300℃退火处理的铝片Ⅱ的红外光谱图。从图7中可知，退火处理对多巴胺峰位的影响不大，说明退火处理对多巴胺的结构产生的影响不大。
图8是实施例2制备的铝片Ⅰ的红外光谱图；其中，d、e、f分别是未退火处理的铝片Ⅰ、200℃退火处理的铝片Ⅰ及300℃退火处理的铝片Ⅰ的红外光谱图。从图8中可知，退火处理对铝基石墨烯复合材料的影响很大，在1734cm-1、1585cm-1、1234cm-1以及1131cm-1的位置出现了新的峰位，说明氧化石墨烯的羧基与聚多巴胺的羟基脱水形成酯。
图9是实施例2制备的铝片Ⅰ的拉曼光谱图；其中，d、e、f分别是未退火处理的铝片Ⅰ、200℃退火处理的铝片Ⅰ及300℃退火处理的铝片Ⅰ的拉曼光谱图。图9中1329cm-1和1602cm-1是氧化石墨烯的2个吸收带。
由图7、图8以及图9可知，多巴胺在碱性条件下发生聚合反应所生成的聚多巴胺吸附在金属Al表面；聚多巴胺具有吸附性，将氧化石墨烯吸附在其表面上；在退火过程中，部分氧化石墨烯的羧基与聚多巴胺的羟基脱水形成酯，存在一定的相互作用，从而使吸附的氧化石墨烯更加牢固。
本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高导热铝基石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
将铝片竖直浸入pH为8～8.5的多巴胺水溶液中，静置反应20～80min；将铝片从多巴胺水溶液中取出后，用纯度不小于蒸馏水的水清洗，再将清洗后的铝片竖直浸入氧化石墨烯水溶液中，静置反应2～6h；将铝片从氧化石墨烯水溶液中取出后，用纯度不小于蒸馏水的水清洗，再将清洗后的铝片放入100～300℃下进行退火处理，退火时间为0.5～3h，得到所述高导热铝基石墨烯复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种高导热铝基石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述多巴胺水溶液的浓度为2～50mg/mL。
3.根据权利要求1所述的一种高导热铝基石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述氧化石墨烯水溶液的浓度为0.005～0.5mg/mL。
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