CN105695916A - 一种柔性多层石墨烯复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种柔性多层石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述的制备过程是：步骤1）、石墨矿研磨；步骤2）、提纯石墨粉末；步骤3）、提取多层石墨烯颗粒；步骤4）、高温处理；步骤5）、喷涂处理；步骤6）、压制复合处理；步骤7）、收卷打包入库。本发明工艺简便，通过喷涂与压延将石墨烯与金属成层结构的复合材料，大大提高生产率，适用于批量生产，同时改善了金属材料的耐热性能与强度。

Description

一种柔性多层石墨烯复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于导热材料领域，特别是一种柔性多层石墨烯复合材料的制备方法。
背景技术
随着近年来电子产品的快速发展，智能电子设备首要问题为内部散热问题，高温不仅会影响设备的运行稳定性，运行速度，电池容量，更会带来设备寿命上的降低。另外在显示和照明领域，LED取代常规的显示照明器件，大功率的LED本身的发热量巨大，对其本身的寿命有着显著地影响，而已有的散热方法并不能解决其散热问题。由于石墨烯具有优良的导电性能(1.5X104cm2/Vs)和热导率(5300W/(mK))、较高的比表面积(2630m2/g)和力学性能。近年来被提倡用于散热等方面,2004年安德烈·海姆（AndreGeim）通过胶带法成功制备了石墨烯并通过实验证明其是可单独存在的二维晶体材料，此研究成果掀起了近年石墨烯研究的热潮。然而量化制备石墨烯成为其广泛应用的瓶颈，如何批量制备性能优良的石墨烯成为研究及其工业应用的关键技术。
将石墨烯和金属成层结构，得到石墨烯与铜、镍形成的复合材料，该材料在硬度方面超过纯金属材料几百倍，其强度是纯铜材料的500倍，是纯镍材料的180倍，目前这种成层结构上的石墨烯是利用化学气相沉积在金属表面生长出来的石墨烯，然而在生长过程中，所需的碳源、压强、温度、衬底等生长条件都会对石墨烯的质量产生很大的影响。
发明内容
针对上述缺陷，本发明的目的在于提供一种柔性多层石墨烯复合材料的制备方法，是通过将石墨矿研磨至粒径、高温提纯粉末。
本发明采用的技术方案是：一种柔性多层石墨烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：1）石墨矿研磨、2）提纯石墨粉末、3）提取多层石墨烯颗粒、4）、高温处理、5）、喷涂、6）、压制复合、7）、收卷入库；其特征在于：
1）、石墨矿研磨：采用常规工艺将石墨矿研磨至粒径为200~300μm的石墨矿颗粒；
2）、提纯石墨粉末；通过高温提纯法将石墨矿颗粒装入高温纯化炉中处理，第一次加热到1600～2000℃，通入卤素气体,气体流量为8~10m3/h，保持30~60s；后升温到2300~3000℃，通入卤素气体,气体流量为0.5~2m3/h，保持30~45s，待石墨中的杂质全部溢出，使石墨粉末的纯度达到99.99%以上；
所述的卤素气体为氯或氟，气体纯度为99%以上。
3）、提取多层石墨烯颗粒：将提纯后的石墨粉末和浓度为2mg/ml的插层剂按照质量比为1:1的比例放入二氯苯溶剂中混合，混合液放置在25~40℃温度下反应60~80s完全反应后，放置在离心分离设备中进行分离，去上清液，即为石墨烯分散液，再将石墨烯分散液进行真空过滤，过滤膜的孔直径为50~150μm，得到多层石墨烯颗粒；
所述的插层剂是萘或菲。
所述的离心分离设备的分离转速为1000~1200rpm，时间为60~90s。
4）、高温处理；再将多层石墨烯颗粒装入高温回热真空炉内，抽真空度达到0.01MP，升温到2300～3000℃，恒温45~60s，抽出炉体内的空气进行高温石墨化处理；
5）、喷涂：将经高温处理的多层石墨烯颗粒通过离子喷涂设备上的喷涂工装喷涂在金属材料的表面，喷涂距离为80~200mm；其中：离子喷涂设备的电弧电压为50~200V，电弧电流为200~300A，送粉速度为15~100g/min；
所述的离子喷涂设备所使用的离子气体为Ar和He，或Ar和H2，离子气体为Ar和He时，Ar气体的流量为50~200L/min，He气体的流量为20~50L/min；所述的离子气体为Ar和H2时，Ar气体的流量为20~200L/min，H2气体的流量为15~50L/min。
所述的金属材料是铜、银、金。
6）、压制复合：将经喷涂有多层石墨烯颗粒的金属材料通过压延设备的两个滚轮对其施加28~32吨的压力，将石墨烯材料强行压入金属材料内，使石墨烯材料紧紧的贴附于金属材料上；
7）、收卷入库，通过收卷机进行收卷，收卷后加贴标识打包入库。
本发明，通过对研磨后石墨矿进行高温提纯，大大提高了提纯的效率和纯度，离心剥离法获得石墨烯不破坏石墨烯的化学结构，能很好的保留石墨烯的电学特性，喷涂与压延将石墨烯与金属层复合，适用于批量生产，同时改善了金属材料的耐热性能与强度。
具体实施方式
实施例1：
本发明实施例提供一种柔性多层石墨烯复合材料的制备方法，具体包括如下制备过程：1）、石墨矿研磨，石墨矿研磨至粒径在250μm；2）、提纯石墨粉末，通过高温提纯法将石墨矿颗粒装入高温纯化炉中处理，第一次加热到2000℃，通入纯度为99%以上卤素气体,气体流量为8m3/h，保持30s；后升温到3000℃，通入纯度为99%以上卤素气体,气体流量为1m3/h，保持30s，待石墨中的杂质全部溢出，使石墨粉末的纯度达到99.99%以上；3）、提取多层石墨烯颗粒：将提纯后的石墨粉末和浓度为2mg/ml的萘按照质量比1:1比例放入二氯苯溶剂中混合溶液，得到的混合溶液放置在25℃温度下反应80s后，放置在离心分离设备中，离心分离转速在1200RPM，离心分离转速时间60s；离心分离后去上清液，即为石墨烯分散液，将石墨烯分散液进行真空过滤，过滤膜的孔直径在150μm，过滤后得到多层石墨烯颗粒；4）、高温处理；将提取多层石墨烯颗粒装入高温回热真空炉内进行高温石墨化处理；高温回热真空炉工作时，对炉体内空气进行抽出，当真空度达到0.01MP时，开始升温到2300℃恒温60s进行高温石墨化处理；5）、喷涂处理：通过离子喷涂设备将石墨烯喷涂在金属铜层表面；所述的离子喷涂设备使用的离子气体为Ar和He，Ar气体的流量为200L/min，He气体的流量为50L/min；喷涂设备的电弧电压为200V，电弧电流为300A，送粉速度100g/min，将金属铜层表面放置在喷涂工装上，喷涂距离200mm。6）、压制复合处理，通过压延设备对石墨烯层表面进行压制，使其厚度满足顾客要求；所述的压延设备通过两个滚轮对石墨烯材料层和金属铜材料层施加30吨的压力，将石墨烯材料强行压入金属铜材料内，在高压下石墨烯材料层被紧紧的贴附于金属铜材料层上；7）、收卷打包入库；通过收卷机进行收卷，收卷后加贴标识入库管理；收卷打包后的柔性多层石墨烯复合材料可以根据需要制作成块体，片材及膜材，在使用时将本柔性多层石墨烯复合材料固定在需要散热的部件上，能够保证快速散热性能。通过对研磨后石墨矿进行高温提纯，可以提高提纯效率，保证提纯的纯度，通过机械剥离法获得石墨烯不破坏石墨烯的化学结构，能很好的保留石墨烯的电学特性，通过喷涂与压延将石墨烯与金属铜成层结构的复合材料，大大提高生产率，适用于批量生产，同时改善了金属材料的耐热性能与强度。
实施例2：
本发明实施例提供一种柔性多层石墨烯复合材料的制备方法，具体包括如下制备过程：1）、石墨矿研磨，石墨矿研磨至粒径在300μm；2）、提纯石墨粉末，通过高温提纯法将石墨矿颗粒装入高温纯化炉中处理，第一次加热到1600℃，通入纯度为99%以上卤素气体,气体流量为9m3/h，保持60s；后升温到2300℃，通入纯度为99%以上卤素气体,气体流量为2m3/h，保持45s，待石墨中的杂质全部溢出，使石墨粉末的纯度达到99.99%以上；3）、提取多层石墨烯颗粒：将提纯后的石墨粉末和浓度为2mg/ml的菲按照质量比1:1比例放入二氯苯溶剂中混合溶液，得到的混合溶液放置在25℃温度下反应80s后，放置在离心分离设备中，离心分离转速在1200RPM，离心分离转速时间60s；离心分离后去上清液，即为石墨烯分散液，将石墨烯分散液进行真空过滤，过滤膜的孔直径在50μm，过滤后得到多层石墨烯颗粒；4）、高温处理；将提取多层石墨烯颗粒装入高温回热真空炉内进行高温石墨化处理；高温回热真空炉工作时，对炉体内空气进行抽出，当真空度达到0.01MP时，开始升温到2800℃恒温50s进行高温石墨化处理；5）、喷涂处理：通过离子喷涂设备将石墨烯喷涂在金属铜层表面；所述的离子喷涂设备使用的离子气体为Ar和H2时，Ar气体的流量为20L/min，H2气体的流量为15L/min；喷涂设备的电弧电压为50V，电弧电流为200A，送粉速度15g/min，将金属铜层表面放置在喷涂工装上，喷涂距离80mm。6）、压制复合处理，通过压延设备对石墨烯层表面进行压制，使其厚度满足顾客要求；所述的压延设备通过两个滚轮对石墨烯材料层和金属铜材料层施加32吨的压力，将石墨烯材料强行压入金属铜材料内，在高压下石墨烯材料层被紧紧的贴附于金属铜材料层上；7）、收卷打包入库；通过收卷机进行收卷，收卷后加贴标识入库管理；收卷打包后的柔性多层石墨烯复合材料可以根据需要制作成块体，片材及膜材，在使用时将本柔性多层石墨烯复合材料固定在需要散热的部件上，能够保证快速散热性能。通过对研磨后石墨矿进行高温提纯，可以提高提纯效率，保证提纯的纯度，通过机械剥离法获得石墨烯不破坏石墨烯的化学结构，能很好的保留石墨烯的电学特性，通过喷涂与压延将石墨烯与金属铜成层结构的复合材料，大大提高生产率，适用于批量生产，同时改善了金属材料的耐热性能与强度。

Claims (6)

1.一种柔性多层石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）、石墨矿研磨：采用常规工艺将石墨矿研磨至粒径为200~300μm的石墨矿颗粒；
2）、提纯石墨粉末；通过高温提纯法将石墨矿颗粒装入高温纯化炉中处理，第一次加热到1600～2000℃，通入卤素气体,气体流量为8~10m3/h，保持30~60s；后升温到2300~3000℃，通入卤素气体,气体流量为0.5~2m3/h，保持30~45s，待石墨中的杂质全部溢出，使石墨粉末的纯度达到99.99%以上；
3）、提取多层石墨烯颗粒：将提纯后的石墨粉末和浓度为2mg/ml的插层剂按照质量比为1:1的比例放入二氯苯溶剂中混合，混合液放置在25~40℃温度下反应60~80s完全反应后，放置在离心分离设备中进行分离，去上清液，即为石墨烯分散液，再将石墨烯分散液进行真空过滤，过滤膜的孔直径为50~150μm，得到多层石墨烯颗粒；
4）、高温处理；再将多层石墨烯颗粒装入高温回热真空炉内，抽真空度达到0.01MP，升温到2300～3000℃，恒温45~60s，抽出炉体内的空气进行高温石墨化处理；
5）、喷涂：将经高温处理的多层石墨烯颗粒通过离子喷涂设备上的喷涂工装喷涂在金属材料的表面，喷涂距离为80~200mm；其中：离子喷涂设备的电弧电压为50~200V，电弧电流为200~300A，送粉速度为15~100g/min；
6）、压制复合：将经喷涂有多层石墨烯颗粒的金属材料通过压延设备的两个滚轮对其施加28~32吨的压力，将石墨烯材料强行压入金属材料内，使石墨烯材料紧紧的贴附于金属材料上；
7）、收卷入库，通过收卷机进行收卷，收卷后加贴标识打包入库。
2.如权利要求1所述的一种柔性多层石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤2）中卤素气体为氯或氟，气体纯度为99%以上。
3.如权利要求1所述的一种柔性多层石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤3）中插层剂是萘或菲。
4.如权利要求1所述的一种柔性多层石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤3）中离心分离设备的分离转速为1000~1200rpm，时间为60~90s。
5.如权利要求1所述的一种柔性多层石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤5）中离子喷涂设备所使用的离子气体为Ar和He，或Ar和H2，离子气体为Ar和He时，Ar气体的流量为50~200L/min，He气体的流量为20~50L/min；所述的离子气体为Ar和H2时，Ar气体的流量为20~200L/min，H2气体的流量为15~50L/min。
6.如权利要求1所述的一种柔性多层石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤5）中金属材料是铜、银、金。
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