CN107891071A - 一种石墨烯金属材料的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石墨烯金属材料的制作方法，包括以下步骤：（1）选取在一定线径的金属线材上使用多层连续涂覆工艺将石墨烯浆料涂覆于线材表面，经烘干定型成膜；（2）取多根石墨烯涂覆线材经合并后连续通过一个或多个复丝模组成的复丝缠绕系统，经一次或多次复丝制得所需线径或线数的石墨烯合金复合线材；（3）将一根或多根石墨烯合金复合线材，经连续线材复合挤压机挤压成型制得一定长度和截面形状尺寸的线棒材或粒状的石墨烯合金中间体。通过上述工艺制作的石墨烯金属材料是制作高导电率和轻量化电线，电缆的核心材料及铝、铜/铝合金、合金或非晶态材料的增䃼剂。

Description

一种石墨烯金属材料的制作方法

技术领域

本发明涉及一种石墨烯金属材料的制作方法。

背景技术

石墨烯是最薄最轻：厚0.34nm、比表面积2630m2/g；载流子迁移率最高：室温下20万cm2/Vs（硅的100倍），理论100万cm2/Vs；电流密度耐性最大:有望达到2亿A/cm2；强度最大最坚硬:破坏强度42N/m，杨氏模量与金刚石相当 ；导热率最高：3000-5000W/m·K，是铜的13倍多。如何将石墨烯应用到传统金属材料中来改善和提升金属材料在导电特性与快速散热特性，使得含石墨烯的金属或合金成为极佳的导电及散热材料。用于大功率节能LED照明散热和锂电池电极材料的导电基材，轻量化高频信号导线，电缆线的半导电屏蔽材料。尽管石墨烯能提升传统金属材的综合特性和扩大其在各种领域中的应用, 但在使用中存在石墨烯与传统金属或其合金冶炼行业工艺相匹配问题，难以达到可控制的均匀混合及改性，阻止了石墨烯的应用。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题和市场需求，本发明的目的是提供一种石墨烯金属材料的制作方法，通过采用在金属线材表面涂覆含石墨烯的涂覆浆料，而后经过复合挤压的工艺制得石墨烯金属材料。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种石墨烯金属材料的制作方法，所述的方法包括以下步骤：

（1）选取具有设定线径的金属线材，在所述金属线材的表面涂覆石墨烯浆料，而后经真空烘干定型处理制得石墨烯涂覆线材，其中，所述的石墨烯浆料为组成成分中含有石墨烯的涂料；

（2）将多根所述的石墨烯涂覆线材经合并后连续通过一个或多个复丝模组成的复丝缠绕系统，经一次或多次复丝制得所需线径或线数的石墨烯复合线材；

（3）将一根或多根所述的石墨烯复合线材，经连续线材复合挤压机挤压成型，而后制作呈线状或型材状或粒状的石墨烯金属材料。

上述技术方案中，优选的，在所述的步骤（1）中，采用单层涂覆工艺或多层连续涂覆工艺将所述的石墨烯浆料涂覆于所述的金属线材表面。

上述技术方案中，优选的，在上述步骤（1）中，所述的涂覆工艺采用浸涂、滚涂、喷涂、挤出涂覆或镀膜工艺中的一种或多种工艺组合使用。

上述技术方案中，优选的，在上述步骤（1）中，所述的石墨烯浆料在所述金属线材表面的涂覆层数为1～100层，每层涂覆厚度为10nm～5um。

上述技术方案中，优选的，在上述步骤（1）中，所述的金属线材为由铜、镍、银、铝、锌、铁、不锈钢以及它们的合金材料中的一种或多种材料组成的线材。

上述技术方案中，优选的，在上述步骤（1）中，所述金属线材的线径为0.005mm至3.0mm。

上述技术方案中，优选的，在上述步骤（1）中，所述石墨烯浆料的组成成分还包括由铜、镍、铝、银、锌、锡、金、钴、铁、钛、氮化铝、碳化硅、氧化铝、氧化锆、二氧化硅、磁性粉体以及稀土材料中的一种或多种组成的纳米改性材料，所述纳米改性材料的质量百分含量为0.02%～20%。

上述技术方案中，优选的，所述石墨烯浆料中的石墨烯质量百分含量满足：在上述步骤（3）中所制得的所述石墨烯金属材料中含有质量百分含量为0.02%～5%的石墨烯。

上述技术方案中，优选的，在上述步骤（2）中，经一次或多次复丝制得线径为10um～20mm的石墨烯复合线材或者制得5至10万根单线的石墨烯复合线材。

上述技术方案中，优选的，在上述步骤（3）中，所述连续线材复合挤压机的挤压温度为400℃～800℃，所挤出的线材外径为1mm～15mm。

本发明与现有技术相比获得如下有益效果：本发明工艺制作的石墨烯金属材料是制作高导电率和轻量化电线、电缆的核心材料，并且可以作为铝、铜/铝合金、合金或非晶态材料的增䃼剂；另外，该石墨烯金属材料还可用于在金属冶炼时作为合金材料的中间体添加到铜、铝、铜/铝合金、锌、锌合金、合金及非晶态材料中制得含石墨烯金属的材料, 提供了一种无需改变传统冶炼方法的一种合金制作路线。

附图说明

图1为本发明提供的一种石墨烯涂覆线材的纵向结构；

图2为本发明提供的一种石墨烯涂覆线材的横向结构；

图3为本发明提供的一种石墨烯复合线材的横向结构；

图4为本发明提供的一种石墨烯缠绕复合线材的横向结构；

图5为本发明提供的一种石墨烯线涂覆制作工艺图；

图6为本发明提供的一种石墨烯线复合缠绕制作工艺图；

图7为本发明提供的一种石墨烯金属连续挤出制作工艺图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细、完整地说明。

实施例1：

本实施例以金属铝线为基材经浸滚涂/复合/缠绕制作一种铝基石墨烯复合线，具体工艺如下：

如图5所示，选用线径为0.02mm的铝线材卷材经线材放卷系统1等张力地将铝线材10进入到多辊浸涂系统2中, 将铝纳米改性石墨烯浆料5涂覆于铝线材10的表面，而后进入真空干燥系统3中烘干定型，获得铝石墨烯涂覆线4，经导向辊由收卷系统6制成卷材供进一步使用。

制作而成的铝石墨烯涂覆线4的结构参见图1、2所示，中部为铝线材401，在铝线材401的外表面涂覆有石墨烯浆料涂层402。

以金属铝线为基材的浸滚涂方法制作一种铝基石墨烯金属材料包括如下步骤：

一、系统使用多层连续涂覆工艺将石墨烯浆料涂覆于线材表面，经烘干定型成膜

将铝线表面辊浸涂含纳米铝改性石墨烯浆料作为涂覆材料、将铝线重复浸涂48层石墨烯浆料，经低温度真空烘干成膜制成铝石墨烯涂覆线，所制得的铝石墨烯涂覆线中石墨烯的质量百分含量为5%。其中，在进行低温度真空烘干处理时，铝线表面温度设定在40℃～45℃之间，烘干箱真空度控制在0.08～0.09mPa。

上述纳米铝改性石墨烯浆料的原料组分及各组分的质量份为：

石墨烯 2份；

10纳米铝粉 0.02份；

乙醇 5份；

去离子水 92.98份。

同样, 上述纳米铝改性石墨烯浆料组分中的10纳米铝粉还可以用铜、镍、铝、银、锌、锡、金、钴、铁、钛、氮化铝、碳化硅、氧化铝、氧化锆、二氧化硅和磁性粉体或稀土材料中的一种或多种不同特性的纳米材料替代存在于改性石墨烯浆料中。

二、烘干后的铝线材复合缠绕制作

如图6所示，选用80根低温烘干后的铝石墨烯涂覆线4经放卷系统11等张力的进入到多线复丝系统12中复合成单束石墨烯复合线, 再进入缠绕系统13实现螺旋缠绕制成铝基石墨烯复合线14，铝基石墨烯复合线14经收卷系统15制成卷材供进一步使用。其中，通过调整复丝根数来制取最终产品的总线径和总线数。此铝基石墨烯复合线14的结构如图3所示，其由多根铝石墨烯涂覆线4螺旋缠绕制作而成。

实施例2：

本实施例以上述实施例1制成的铝基石墨烯复合线14为基材经多次缠绕来制作多股铝基石墨烯复合缠绕线24，具体包括如下步骤：

一、铝基缠绕石墨烯线缠绕流程

选取9根实施例1制成的铝基石墨烯复合线14作基础材料放置在图6中的放卷系统11中调整好材料的张力、并经导向辊将基础材料引入到多线复丝系统12复合成单束多股石墨烯复合线, 再进入缠绕系统13实现螺旋缠绕制成多股铝基石墨烯缠绕线204，此多股铝基石墨烯缠绕线204的截面有720根单线，经收卷系统15收卷成型供进一步使用

二、重复上述步骤一的制作方法进行一次或多次重复工艺制得石墨烯金属材料

选取3根步骤一中制作的多股铝基石墨烯缠绕线204作基础材料放置在图6中的放卷系统11中调整好材料的张力、并经导向辊将基础材料引入到多线复丝系统12复合成单束多股石墨烯缠绕复合线, 再进入缠绕系统13实现螺旋缠绕制成铝基多股石墨烯复合缠绕线24，该铝基多股石墨烯复合缠绕线24。此铝基多股石墨烯复合缠绕线24的截面有2160根、0.02mm线径的单线，该铝基多股石墨烯复合缠绕线24经收卷系统15收卷成型供进一步使用。

制成的铝基多股石墨烯复合缠绕线24的结构可参见图4中, 其是由多根铝基石墨烯复合线14制作而成。

实施例3：

本实施例以上述实施例2中制作的铝基多股石墨烯复合缠绕线24为基材制作棒状铝基石墨烯金属材料，具体制作步骤如下：

如图7所示，选用2根实施例2中的截面有2160根单线组成的铝基多股石墨烯复合缠绕线24,置于放卷系统21中控制好张力,将铝基多股石墨烯复合缠绕线24经导向辊系统将基材引入到连续挤压成形机23中进行连续挤压制成外径为12mm的铝基石墨烯金属棒34，经冷却系统25冷却，而后经收卷系统26收卷成盘材供进一步使用。其中，连续挤出工艺中: 挤压辊直径300mm 、转速22.5m/rpm，挤压温度控制在420～480℃之间。

同样，在其他实施例中，也可选用连续挤压辊直径350mm、400mm、500mm、或650mm的连续挤压设备来制作棒状铝基石墨烯金属材料。

实施例4：

本实施例以上述实施例3中制作的铝基石墨烯金属棒34为基材制作石墨烯金属增䃼剂，具体制作步骤如下：

选用实施例3中的铝基石墨烯金属棒为基材，用连续切割机切断成粒状的铝基石墨烯金属材料，以便收集后供用户在铝合金冶炼时作为增补剂添加使用。用户在铝合金冶炼时，可以通过添加量来调节石墨烯在制成的铝合金中含量, 用此方法可按传统工艺制作成铝电工棒、 铝线材、锂电池用高导电低阻铝电极基材、 电容器用铝箔、导热和电信号屏蔽用不干胶铝箔带基材等。

上述数实施例1-4中，可以通过更换不同的金属基材，如选用铜、镍、银、铝、锌、铁、不锈钢或其合金材料中的一种或多种材料组成的、线径从0.005mm至3.0mm的金属基材来获得不同用途的石墨烯金属线材。

同样选用实施例的制作方法,可制成锂电池用高导电低阻铜电极基材或钛铝石墨烯超轻高强度合金,含纳米陶瓷的耐磨石墨烯铝基材,耐高温或屏蔽用材料。

最后有必要在此说明的是：以上实施例只用于对本发明的技术方案作进一步详细地说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种石墨烯金属材料的制作方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：

（1）选取具有设定线径的金属线材，在所述金属线材的表面涂覆石墨烯浆料，而后经真空烘干定型处理制得石墨烯涂覆线材；其中，所述的石墨烯浆料为组成成分中含有石墨烯的涂料；

（2）将多根所述的石墨烯涂覆线材经合并后连续通过一个或多个复丝模组成的复丝缠绕系统，经一次或多次复丝制得所需线径或线数的石墨烯复合线材；

（3）将一根或多根所述的石墨烯复合线材，经连续线材复合挤压机挤压成型，而后制作呈线状或型材状或粒状的石墨烯金属材料。

2.根据权利要求1所述的一种石墨烯金属材料的制作方法，其特征在于：在所述的步骤（1）中，采用单层涂覆工艺或多层连续涂覆工艺将所述的石墨烯浆料涂覆于所述的金属线材表面。

3.根据权利要求2所述的一种石墨烯金属材料的制作方法，其特征在于：在上述步骤（1）中，所述的涂覆工艺采用浸涂、滚涂、喷涂、挤出涂覆或镀膜工艺中的一种或多种工艺组合使用。

4.根据权利要求2所述的一种石墨烯金属材料的制作方法，其特征在于：在上述步骤（1）中，所述的石墨烯浆料在所述金属线材表面的涂覆层数为1～100层，每层涂覆厚度为10nm～5μm。

5.根据权利要求1所述的一种石墨烯金属材料的制作方法，其特征在于：在上述步骤（1）中，所述的金属线材为由铜、镍、银、铝、锌、铁、不锈钢以及它们的合金材料中的一种或多种材料组成的线材。

6.根据权利要求1所述的一种石墨烯金属材料的制作方法，其特征在于：在上述步骤（1）中，所述金属线材的线径为0.005mm至3.0mm。

7.根据权利要求1所述的一种石墨烯金属材料的制作方法，其特征在于：在上述步骤（1）中，所述石墨烯浆料的组成成分还包括由铜、镍、铝、银、锌、锡、金、钴、铁、钛、氮化铝、碳化硅、氧化铝、氧化锆、二氧化硅、磁性粉体以及稀土材料中的一种或多种组成的纳米改性材料，所述纳米改性材料的质量百分含量为0.02%～20%。

8.根据权利要求2所述的一种石墨烯金属材料的制作方法，其特征在于：所述石墨烯浆料中的石墨烯质量百分含量满足：在上述步骤（3）中所制得的所述石墨烯金属材料中含有质量百分含量为0.02%～5%的石墨烯。

9.根据权利要求1所述的一种石墨烯金属材料的制作方法，其特征在于：在上述步骤（2）中，经一次或多次复丝制得线径为10μm～20mm的石墨烯复合线材或者制得由5至10万根单线构成的石墨烯复合线材。

10.根据权利要求1所述的一种石墨烯金属材料的制作方法，其特征在于：在上述步骤（3）中，所述连续线材复合挤压机的挤压温度为400℃～800℃，所挤出的线材外径为1mm～15mm。