CN105908053A - 一种石墨烯-不锈钢复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯‑不锈钢复合材料及其制备方法和应用。该石墨烯‑不锈钢复合材料是由以下方法制备得到的，包括：真空条件下，向用于铸造不锈钢的熔体中以喷雾形式加入石墨烯浆体，搅拌混合，铸造，热处理，即得；其中，复合材料中石墨烯质量为不锈钢质量的1％～10％。本发明提供的石墨烯‑不锈钢复合材料，石墨烯浆料以喷雾形式加入到用于铸造不锈钢的熔体中，避免了石墨烯之间的团聚；石墨烯加入熔体中可以起到弥散强化的作用，增加复合材料的硬度、导热性和散热性，所得石墨烯‑不锈钢复合材料，硬度大于200HB，导热性、散热性能优良。

Description

一种石墨烯-不锈钢复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于石墨烯复合材料领域，具体涉及一种石墨烯-不锈钢复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
当电流通过电气设备(真空断路器、导电回路等)的导电回路时会产生热量，进而使电气设备的温度高于环境温度，产生温升。电气设备的温升应控制在相应标准推荐的范围内，才能使电气设备安全、高效的运行。随着目前电气设备大型化、高压化的发展，高额定电流的电气设备不断涌现，电气设备的温升也越来越大，多数电气设备的实际温升往往超出安全范围，给电气设备的安全运行带来隐患。
大型电气设备运行时，热量常常在电气设备柜体内部富集，通过开设通风口的方法有一定效果，但只能降低局部温升，实际降温升效果有限；开发具有良好散热性和导热性的柜体材料是有效降低大型电气设备温升的方法之一。
石墨烯是一种新型二维纳米材料，其纳米片是由SP2杂化碳原子组成的单原子层厚度的二维材料，其强度高达1.01TPa，导热系数高达5300w/m·k，常温下电子迁移率超过200000cm2/v·s，电阻率约1Ω·m，具有强度高、导热性好、电阻率低的特点。不锈钢具有较好的强度、较高的耐磨性等优良性能，可满足电气设备柜体的一般要求，但其散热和导热能力有限。
CN105568243A公开了一种用于不锈钢表面的石墨烯防腐涂层制备方法，在不锈钢表面制备石墨烯防腐涂层。现有的石墨烯-不锈钢复合材料，并不能从根本上提高石墨烯-不锈钢复合材料的导热性和散热性，降温升效果有限，无法作为电气设备柜体使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种石墨烯-不锈钢复合材料，从而解决现有技术的石墨烯-不锈钢复合材料导热性和散热性不足，降温升效果差的问题。
本发明的第二个目的是提供上述石墨烯-不锈钢复合材料的制备方法。
本发明的第三个目的是提供上述石墨烯-不锈钢复合材料作为电气设备柜体的应用。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
一种石墨烯-不锈钢复合材料，该复合材料是由以下方法制备得到的，包括：真空条件下，向用于铸造不锈钢的熔体中以喷雾形式加入石墨烯浆体，搅拌混合，铸造，热处理，即得；其中，复合材料中石墨烯质量为不锈钢质量的1％～10％。
所述不锈钢为304、304L、316或316L不锈钢。
所述石墨烯浆体由以下重量百分比的组分组成：溶剂70％～95％，石墨烯粉4.5％～27％，分散剂0.5％～3％。溶剂为水或乙醇。分散剂为二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮。石墨烯粉的粒度为1～20μm。该石墨烯浆料在制备时，向溶剂中加入分散剂混匀，再加入石墨烯粉，混合均匀，即得。
熔体的温度为1500℃～1600℃。所述热处理为在1050℃～1150℃进行固溶处理。固溶处理的时间为10min～20min，固溶处理后水冷即得。本发明提供的石墨烯-不锈钢复合材料，石墨烯浆料以喷雾形式加入到用于铸造不锈钢的熔体中，避免了石墨烯之间的团聚；石墨烯加入熔体中可以起到弥散强化的作用，增加复合材料的硬度、导热性和散热性，所得石墨烯-不锈钢复合材料，硬度大于200HB，导热性、散热性能优良，可以有效降低温升3-10℃。
一种上述石墨烯-不锈钢复合材料的制备方法包括：真空条件下，向用于铸造不锈钢的熔体中以喷雾形式加入石墨烯浆体，搅拌混合，铸造，热处理，即得；其中，复合材料中石墨烯质量为不锈钢质量的1％～10％。
本发明的石墨烯-不锈钢复合材料的制备方法，工艺简单，生产成本低，所得复合材料性能稳定，可用于电气设备的柜体，进而有效降低电气设备的温升。
一种上述石墨烯-不锈钢复合材料作为电气设备柜体的应用。以开关柜为例，采用上述制备方法，将石墨烯浆体以喷雾形式加入熔体后，搅拌混合，铸造成开关柜柜体半成品，热处理，即得。与常规不锈钢柜体相比，本发明的石墨烯-不锈钢复合材料柜体，在大额定电流下，可有效降低温升3～10℃，大大提高了大型电气设备运行的安全性。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例的石墨烯-不锈钢复合材料，是在真空条件下，采用喷雾机向用于铸造不锈钢304的熔体中将石墨烯浆体以喷雾形式(雾滴的平均直径小于150μm)加入熔体中，喷雾机的功率为1kW，转速为3000r/min；熔体的温度为1500℃，喷雾期间以500r/min的速度进行搅拌，喷雾后，以1000r/min的速度搅拌混合20min，铸造，得到开关柜柜体半成品，再将开关柜柜体半成品1050℃条件下进行固溶处理，固溶处理的时间为10min；水冷至室温，即得开关柜柜体；该开关柜柜体为石墨烯-不锈钢复合材料，其中石墨烯的质量为不锈钢质量的1％；
石墨烯浆体由以下重量百分比的组分组成：水70％，石墨烯粉27％，NMP 3％；石墨烯粉的粒度为1μm；将水、NMP混匀，再加入石墨烯粉混合均匀，即得石墨烯浆体。
实施例2
本实施例的石墨烯-不锈钢复合材料，是在真空条件下，采用喷雾机向用于铸造不锈钢304L的熔体中将石墨烯浆体以喷雾形式(雾滴的平均直径小于150μm)加入熔体中，喷雾机的功率为10kW，转速为10000r/min；熔体的温度为1550℃，喷雾期间以2000r/min的速度进行搅拌，喷雾后，以3000r/min的速度搅拌混合60min，铸造，得到开关柜柜体半成品，再将开关柜柜体半成品在1150℃条件下进行固溶处理，固溶处理的时间为15min；水冷至室温，即得开关柜柜体；该开关柜柜体为石墨烯-不锈钢复合材料，其中石墨烯的质量为不锈钢质量的5％；
石墨烯浆体由以下重量百分比的组分组成：乙醇78％，石墨烯粉20％，DMF 2％；石墨烯粉的粒度为8μm；将乙醇、DMF混匀，再加入石墨烯粉混合均匀，即得石墨烯浆体。
实施例3
本实施例的石墨烯-不锈钢复合材料，是在真空条件下，采用喷雾机向用于铸造不锈钢316的熔体中将石墨烯浆体以喷雾形式(雾滴的平均直径小于150μm)加入熔体中，喷雾机的功率为5kW，转速为5000r/min；熔体的温度为1600℃，喷雾期间以1000r/min的速度进行搅拌，喷雾后，以2000r/min的速度搅拌混合30min，铸造，得到开关柜柜体半成品，再将开关柜柜体半成品在1100℃条件下进行固溶处理，固溶处理的时间为18min；水冷至室温，即得开关柜柜体；该开关柜柜体为石墨烯-不锈钢复合材料，其中石墨烯的质量为不锈钢质量的8％；
石墨烯浆体由以下重量百分比的组分组成：水89％，石墨烯粉10％，NMP 1％；石墨烯粉的粒度为10μm；将水、NMP混匀，再加入石墨烯粉混合均匀，即得石墨烯浆体。
实施例4
本实施例的石墨烯-不锈钢复合材料，是在真空条件下，采用喷雾机向用于铸造不锈钢316L的熔体中将石墨烯浆体以喷雾形式(雾滴的平均直径小于150μm)加入熔体中，喷雾机的功率为8kW，转速为8000r/min；熔体的温度为1600℃，喷雾期间以1500r/min的速度进行搅拌，喷雾后，以2500r/min的速度搅拌混合40min，铸造，得到开关柜柜体半成品，再将开关柜柜体半成品在1030℃条件下进行固溶处理，固溶处理的时间为20min；水冷至室温，即得开关柜柜体；该开关柜柜体为石墨烯-不锈钢复合材料，其中石墨烯的质量为不锈钢质量的10％；
石墨烯浆体由以下重量百分比的组分组成：乙醇95％，石墨烯粉4.5％，DMF 0.5％；石墨烯粉的粒度为20μm；将乙醇、DMF混匀，再加入石墨烯粉混合均匀，即得石墨烯浆体。
试验例
将实施例1～4的石墨烯-不锈钢复合材料作为额定电流为2000A的开关柜柜体，检测开关柜在2000A电流下的温升值，结果如表1所示，其中，对比例的开关柜柜体为不锈钢304，其他条件与实施例1～4相同，检测方法参照GB/T 11022-2011高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求标准进行。
表1各实施例和对比例的开关柜柜体的温升试验结果
序号 温升，℃ 温升降低值，℃ 硬度，HB 热导率W·m-1·K-1
对比例 40 0 200 16
实施例1 37 3 210 20
实施例2 34 6 230 25
实施例3 32 8 240 28
实施例4 30 10 260 32
由表1的结果可知，本发明的石墨烯-不锈钢复合材料在作为开关柜柜体时，在2000A的大额定电流下，可有效降低温升3℃～10℃，其硬度和热导率得到进一步提升，从而保证了开关柜在较大额定电流下仍能安全运行，延长开关柜的使用寿命。

Claims (10)

1.一种石墨烯-不锈钢复合材料，其特征在于，该复合材料是由以下方法制备得到的，包括：真空条件下，向用于铸造不锈钢的熔体中以喷雾形式加入石墨烯浆体，搅拌混合，铸造，热处理，即得；其中，复合材料中石墨烯质量为不锈钢质量的1％～10％。
2.如权利要求1所述的石墨烯-不锈钢复合材料，其特征在于，所述不锈钢为304、304L、316或316L不锈钢。
3.如权利要求1所述的石墨烯-不锈钢复合材料，其特征在于，所述石墨烯浆体由以下重量百分比的组分组成：溶剂70％～95％，石墨烯粉4.5％～27％，分散剂0.5％～3％。
4.如权利要求3所述的石墨烯-不锈钢复合材料，其特征在于，溶剂为水或乙醇。
5.如权利要求3所述的石墨烯-不锈钢复合材料，其特征在于，分散剂为二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮。
6.如权利要求3所述的石墨烯-不锈钢复合材料，其特征在于，石墨烯粉的粒度为1～20μm。
7.如权利要求1所述的石墨烯-不锈钢复合材料，其特征在于，所述热处理为在1050℃～1150℃进行固溶处理。
8.如权利要求1～7任一项所述的石墨烯-不锈钢复合材料，其特征在于，熔体的温度为1500℃～1600℃。
9.一种如权利要求1所述的石墨烯-不锈钢复合材料的制备方法，其特征在于，包括：真空条件下，向用于铸造不锈钢的熔体中以喷雾形式加入石墨烯浆体，搅拌混合，铸造，热处理，即得；其中，复合材料中石墨烯质量为不锈钢质量的1％～10％。
10.一种如权利要求1所述的石墨烯-不锈钢复合材料作为电气设备柜体的应用。
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