CN108149051B - 一种石墨烯/金属复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种石墨烯/金属复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种石墨烯/金属复合材料及其制备方法。所述方法包括：(1)按质量百分比称取金属棒与高纯碳棒，高纯碳棒所占质量百分比为1％‑30％；(2)将清洗后的金属棒装夹在悬浮区熔定向凝固炉抽拉系统的上夹头和下夹头上，将高纯碳棒装夹在抽拉系统旁侧的夹具上，且高纯碳棒的底端与金属棒的熔区接触；(3)将悬浮区熔定向凝固炉抽真空，对金属棒进行定向凝固，控制熔区长度在1～50mm，将金属棒以1～5000μm/s的速率从上至下移动，且沿着抽拉系统的轴线旋转；所述高纯碳棒的底端始终处于所述金属棒的熔区内。由此方法本发明得到的石墨烯/金属复合材料中，碳以石墨烯形式存在于金属的晶格之中，两相界面结合良好，有助于提高材料的电导率。

Description

一种石墨烯/金属复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料领域，特别涉及一种石墨烯/金属复合材料及其制备方法。
背景技术
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化连接密堆积构成的二维纳米材料，具有良好的导热性能5000W/(m·K)，室温下电荷迁移率高达15000cm2/(V·s)，其电子传输具有明显的量子效应，表现为弹道输运，电子可以无散射地流过。因而石墨烯具有极高的电流传输能力，电流密度可达1×1010A/cm2，比目前使用的铜或铝导线高几个数量级，是非常理想的导体。此外，石墨烯的强度高达1.01Tpa，是结构钢的100倍，而密度却是结构钢的1/5。但是，石墨烯是一种纳米粉末，而且载流子浓度比较低，只有与金属材料复合制备成导线才能更好地发挥出其优异的性能。因此，将石墨烯复合到铝、铜、银等金属材料中，预期可以得到轻质高强、兼备导电、导热等功能特性的结构功能一体化的复合材料。
然而，高质量石墨烯的制备则是各类应用的前提。机械剥离法可以获得高质量石墨烯，但成本高，而且难以量产。化学剥离法得到的石墨烯质量不高，往往存在很多缺陷。化学气相沉积(CVD)作为一种表面处理工艺，采用这种方法可在金属表面生长一层或几层石墨烯，但其对整个宏观材料体系的物理与机械性能并无显著影响。采用粉末冶金等方法制备金属/石墨烯复合材料很难避免石墨烯的团聚，而且制备过程很容易引入杂质，更关键的是，金属-碳之间只是机械结合，没有形成真正的化学键连接，对导电性增强效果不理想。因而，寻求一种批量制备高性能金属/石墨烯复合材料的工艺并成功制备出高性能的金属/石墨烯复合材料成为当前十分迫切的任务。
定向凝固技术是伴随高温合金的发展而逐渐发展起来的，是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，以获得具有特定取向柱状晶的技术。由于该技术较好地控制了凝固组织的晶粒取向，消除了横向晶界，大大提高了材料的纵向力学性能。于此同时，横向晶界的减少，大大降低了晶界对电子传输过程造成的散射，使得合金的电导率提高。因此，定向凝固技术也可用于制备高导电合金。在定向凝固技术中，区域熔炼是在整个生长过程中的任何时刻都只有一部分原料被熔融，熔区由表面张力支撑，故又称“浮区法”。所用原料一般先制成棒。将棒用两个卡盘固定并安放在保温管内。利用高频线圈或聚焦红外线等加热棒的局部，使熔区从一端逐渐移至另一端以完成结晶过程。该方法不需要坩埚，生长出的晶体质量高，常用于材料的物理提纯，也用于晶体的生长。此外，区域熔化的另一重要作用为区熔致匀，即控制加入一种期望的杂质到一晶体中去，例如在采用浮区熔融法在硅棒中均匀地添加B，B采用固态热解氮化硼原料。
发明内容
为克服解决现有技术中存在的问题缺点，本发明提出一种石墨烯/金属复合材料的制备方法。
本发明石墨烯/金属复合材料的制备方法包括以下步骤：
(1)按一定的质量百分比称取金属棒与高纯碳棒，所述高纯碳棒所占质量百分比在1％-30％之间；
(2)将经过清洗的所述金属棒的两端分别装夹在位于悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，并使金属棒与抽拉系统同轴；将高纯碳棒装夹在悬浮区熔定向凝固炉内抽拉系统旁侧的夹具上，使得所述高纯碳棒与所述金属棒成锐角，且所述高纯碳棒的底端与所述金属棒的熔区接触；
(3)将悬浮区熔定向凝固炉抽真空，对所述金属棒进行悬浮区域熔化定向凝固，控制熔区长度在1-50mm，熔体温度高于金属的熔点，将所述金属棒以1-5000μm/s的速率从上至下移动，且沿着抽拉系统轴线旋转；所述高纯碳棒的底端始终处于所述金属棒的熔区内。
(4)当金属棒移动到最底端，将加热功率降到零，冷却后取出金属棒。
进一步地，所述悬浮区熔定向凝固炉采用电子束加热。
进一步地，所述悬浮区熔定向凝固炉也可采用感应加热或电阻加热。
进一步地，当所述悬浮区熔定向凝固炉采用感应加热或电阻加热时，所述抽拉系统的上夹头和下夹头加有电压，所述金属棒中有电流通过。
进一步地，上述方法中，所述金属包括金、银、铜、铁、钴、镍、铝、锌、锡、铅、钛、铬、铟、钨、钼、铂、钇、铈或铜银、铜镍合金。
进一步地，由上述方法制备得到的石墨烯/金属复合材料，其成分包括金属和高纯碳；所述金属与所述高纯碳形成单相；所述高纯碳以石墨烯形式存在于所述金属的晶格之中。
进一步地，上述石墨烯/金属复合材料形成柱状晶组织。
本发明提供的一种石墨烯/金属复合材料的制备方法，可以取得以下有益效果：
(1)石墨烯在凝固过程中自发形核生长，石墨烯结构嵌入金属基体中，两相界面结合得很好，有利于电子传导，无人工复合材料中存在的杂质污染、界面润湿等问题，提高了材料的完整性，这些都利于铜合金电导率的提高；
(2)定向凝固产生的连续柱状晶组织具有各向异性，横向晶界减少，当电流方向与柱状晶生长方向一致，可有效地提高材料的电导率；
(3)利用区域定向凝固的一个重要应用-区域致匀即控制加入一种所期望的杂质到晶体中去，在一个锭料中产生均匀的溶质分布，从而防止炭在加入到金属时产生偏析；
(4)无须使用价格昂贵的石墨烯，并且定向凝固方法易于与连续铸造相结合，可大幅度降低铜合金材料的生产成本，特别适于各种电线电缆的制造。
附图说明
图1本发明实施例电子束悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/金属复合材料的示意图；
图2本发明实施例提供的感应加热悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/金属复合材料的示意图；
图3本发明实施例电阻加热悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/金属复合材料的示意图；
图4本发明实施例感应加热悬浮区熔定向凝固制备的石墨烯/铜复合材料的金相显微组织照片；
图5本发明实施例感应加热悬浮区熔定向凝固制备的石墨烯/铜复合材料的扫描组织照片；
具体实施方式
下面将结合附图和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/金属复合材料由以下质量百分比的原料制成：Ag 90％，C10％。其中，Ag为纯度为99.99％、直径为5mm的棒料，高纯碳棒为石墨棒，其纯度满足光谱纯要求，且石墨棒的直径为1mm。图1所示为本实施例电子束悬浮区熔定向凝固法制备石墨烯/银复合材料的示意图，如图1所所示，本实施例的具体制备方法为：
(1)按照银棒与石墨棒的质量百分比为90％：10％的比例称取银棒和石墨棒；
(2)将称取后的银棒及石墨棒置于丙酮溶液中进行超声清洗，去除表面的杂质以及污染物，清洗后将其吹干。然后将银棒的两端分别装夹在电子束悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，使银棒与抽拉系统同轴。将石墨棒装夹在电子束悬浮区熔定向凝固炉内抽拉系统旁侧的夹具上，使得所述高纯碳棒与所述金属棒成60°锐角，且所述石墨棒的底端与所述银棒的熔区接触；
(3)试样装夹好后，将悬浮区熔定向凝固炉抽真空。真空度达到5×10-3Pa时，对所述银棒进行悬浮区域熔化定向凝固，加热方式采用电子束加热，首先将电子枪的电子束功率从0kw开始预热，每隔3min-8min增加5kw-10kw，直至增加到70kw。电子束对所述银棒进行加热，将电子束的束斑大小控制在3-5mm，并集中至所述银棒熔区，即银棒的最下端。抽拉系统以1μm/s-100μm/s的速度向下抽拉银棒，且银棒沿着抽拉系统轴线旋转；在电子束照射的区域，银棒熔化，位于抽拉系统旁侧夹具上的石墨棒移入银棒熔区内，在电子束的加热下与银均匀混合。随着银棒向下抽拉，银和碳熔融混合后凝固。当银棒抽拉到最底端时，立即使电子束功率从70kw降到0kw。
之后，取出凝固后的合金棒，去除少量顶端和底端，得到良好的石墨烯/银复合合金棒。
本发明实施例利用电子束悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/银复合材料，由于电子束的作用，银和碳原子之间形成化学键而稳定结合，形成石墨烯/银复合材料，即碳原子存在于银的晶格中，而并非以碳原子形式析出，因此，两相界面结合得很好，有利于电子传导，提高材料的电导率；同时，由于区熔定向凝固，使得合金出现柱状晶组织，横向晶界减少，有助于电导率提高。
实施例2
本实施例的石墨烯/金属复合材料由以下质量百分比的原料制成：Ag 85％，C15％。其中，Ag的纯度为99.99％，呈直径为5mm的棒状，高纯碳棒为石墨棒，其纯度满足光谱纯要求，且石墨棒的直径为1mm。图2本发明实施例提供的感应加热悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/银复合材料的示意图，如图2所示，该石墨烯/银复合材料的具体制备方法为：
(1)截取20cm长的上述银棒，称取其质量，然后按照上述银棒与上述石墨棒的质量百分比为85％：15％称取石墨棒；
(2)将称取后的银棒以及石墨棒置于丙酮溶液中进行超声清洗，去除表面的杂质以及污染物，清洗后将其吹干。然后，将银棒的两端分别装夹在位于悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，使银棒与抽拉系统同轴，银棒外围放置感应线圈；将石墨棒装夹在悬浮区熔定向凝固炉内抽拉系统旁侧的夹具上，使得所述石墨棒与所述银棒成60°锐角，且所述石墨棒穿过感应线圈，底端与所述银棒的熔区接触；
(3)试样装夹好后，将悬浮区熔定向凝固炉抽真空，真空度达到5×10-3Pa时，对所述银棒进行悬浮区熔定向凝固，加热方式采用感应加热，从0kw开始，每隔3min-8min增加5kw-10kw，直至增加到60kw，使得加热温度略高于银的熔点，感应熔化区域，即银棒熔区宽度控制在5-10mm；与此同时，通过上下夹头对银棒加以电流，使得通过银棒的电流100-120A；抽拉系统以300μm/s-500μm/s的速度向下抽拉银棒，且银棒沿着抽拉系统轴线旋转；在感应线圈加热的区域，银棒熔化，位于抽拉系统旁侧夹具上石墨棒移入银棒熔区内，在感应线圈的加热下与银均匀混合。随着银棒向下抽拉，银和碳熔融混合后凝固。当银棒抽拉到最底端时，立即使感应线圈的功率从60kw立即降到0kw
之后，取出凝固后的合金棒，去除少量顶端和底端，得到良好的石墨烯/银复合合金棒。
本发明实施例利用悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/银复合材料，由于感应加热过程中对银棒通以电流，银和碳原子之间形成化学键而稳定结合，形成石墨烯/银复合材料，即碳原子存在于银的晶格中，而并非以碳原子形式析出，因此，两相界面结合得很好，有利于电子传导，提高材料的电导率；同时，由于区熔定向凝固，使得合金出现柱状晶组织，横向晶界减少，有助于电导率提高。
实施例3
本实施例的石墨烯/金属复合材料由以下质量百分比的原料制成：Ag 70％，C30％。其中，Ag的纯度为99.99％，呈直径为5mm的棒状，高纯碳棒为石墨棒，其纯度满足光谱纯要求，且石墨棒的直径为1mm。图3本发明实施例提供的电阻加热悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/银复合材料的示意图，如图3所示，该石墨烯/银复合材料的具体制备方法为：
(1)截取20cm长的上述银棒，称取其质量，然后按照上述银棒与上述石墨棒的质量百分比为70％：30％称取石墨棒；
(2)将称取后的银棒以及石墨棒置于丙酮溶液中进行超声清洗，去除表面的杂质以及污染物，清洗后将其吹干。然后，将银棒的两端分别装夹在位于悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，使银棒与抽拉系统同轴，银棒外围放置电阻线圈；将石墨棒装夹在悬浮区熔定向凝固炉内抽拉系统旁侧的夹具上，使得所述石墨棒与所述银棒成60°锐角，且所述石墨棒的底端与所述银棒的熔区接触；
(3)试样装夹好后，将悬浮区熔定向凝固炉抽真空，真空度达到5×10-3Pa时，对所述银棒进行悬浮区熔定向凝固，加热方式采用电阻加热，加热功率从0kw开始，每隔3min-8min增加增加5kw-10kw，直至增加到60kw，使得加热温度略高于银的熔点，电阻线圈的加热宽度控制在10-20mm，且电阻线圈最初位于银棒的最下端。与此同时，通过上下夹头对银棒加以电流，使得通过银棒的电流100-120A；抽拉系统以100μm/s-300μm/s的速度向下抽拉银棒，且银棒沿着抽拉系统轴线旋转；在电阻线圈加热的区域，银棒熔化，位于抽拉系统旁侧夹具上石墨棒移入熔融银棒内，在电阻线圈的加热下与银均匀混合。随着银棒向下抽拉，银和碳熔融混合后凝固。当银棒抽拉到最底端时，立即将电阻线圈的加热功率从60kw降到0kw。
之后，取出凝固后的合金棒，去除少量顶端和底端，得到良好的石墨烯/银复合合金棒。
本发明实施例利用悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/银复合材料，由于电阻加热过程中对银棒通以电流，银和碳原子之间形成化学键而稳定结合，形成石墨烯/银复合材料，即碳原子存在于银的晶格中，而并非以碳原子形式析出，因此，两相界面结合得很好，有利于电子传导，提高材料的电导率；同时，由于区熔定向凝固，使得合金出现柱状晶组织，横向晶界减少，有助于电导率提高。
实施例4
本实施例的石墨烯/金属复合材料由以下质量百分比的原料制成：Cu 94％，C6％。其中，Cu的纯度为99.99％，呈直径为5mm的棒状，高纯碳棒为石墨棒，其纯度满足光谱纯要求，且石墨棒的直径为1mm。图2本发明实施例提供的感应加热悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/银复合材料的示意图，如图2所示，该石墨烯/铜复合材料的具体制备方法为：
(1)截取10cm长的上述铜棒，称取其质量，然后按照上述铜棒与上述石墨棒的质量百分比为94％：6％称取石墨棒；
(2)将称取后的铜棒以及石墨棒置于丙酮溶液中进行超声清洗，去除表面的杂质以及污染物，清洗后将其吹干。然后，将铜棒的两端分别装夹在位于悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，使铜棒与抽拉系统同轴，铜棒外围放置感应线圈；将石墨棒装夹在悬浮区熔定向凝固炉内抽拉系统旁侧的夹具上，使得所述石墨棒与所述铜棒成60°锐角，且所述石墨棒穿过感应线圈，底端与所述铜棒的熔区接触；
(3)试样装夹好后，将悬浮区熔定向凝固炉抽真空，真空度达到5×10-3Pa时，对所述铜棒进行悬浮区域熔化定向凝固，加热方式采用感应加热，加热功率从0kw开始，每隔5-10min增加10kw-15kw，直至增加到100kw，感应熔化区域宽度控制在3-5mm；与此同时，通过上下夹头对铜棒通以电流，使得通过铜棒的电流120-135A；抽拉系统以300μm/s～500μm/s的速度向下抽拉铜棒，且铜棒沿着抽拉系统轴线旋转；在感应线圈加热的区域，铜棒熔化，位于抽拉系统旁侧夹具上石墨棒移入铜棒熔区内，在感应线圈的加热下与铜均匀混合。随着铜棒向下抽拉，铜和碳熔融混合后凝固。当铜棒抽拉到最底端时，立即使感应线圈的加热功率从100kw降到0kw。
之后，取出凝固后的合金棒，去除少量顶端和底端，得到良好的石墨烯/铜复合合金棒。图4为本实施例提供的感应加热悬浮区熔定向凝固制备的石墨烯/铜复合材料的金相显
微组织照片，由图可以看出，该复合材料呈柱状晶组织，晶界平行于晶体生长方向。图5为本实施例提供的感应加热悬浮区熔定向凝固制备的石墨烯/铜复合材料的扫描显微组织照片，通过对样品进行腐蚀，在视野范围内发现了非常薄的片层石墨烯。
本发明实施例利用悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/铜复合材料，由于感应加热过程中对铜棒通以电流，使得银和碳原子之间形成稳定结合的化学键，形成石墨烯/铜复合材料，即碳原子存在于铜的晶格中，而并非以碳原子形式析出，因此，两相界面结合得很好，有利于电子传导，提高材料的电导率；同时，由于区熔定向凝固，使得合金出现柱状晶组织，横向晶界减少，有助于电导率提高。
实施例5
本实施例的石墨烯/金属复合材料由以下质量百分比的原料制成：Sn 90％，C10％。其中，Sn的纯度为99.99％，呈直径为8mm的棒状，高纯碳棒为石墨棒，其纯度满足光谱纯要求，且石墨棒的直径为1mm。图3本发明实施例提供的电阻加热悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/银复合材料的示意图，如图3所示，该石墨烯/锡复合材料的具体制备方法为：
(1)截取20cm长的上述Sn棒，称取其质量，然后按照上述锡棒与上述石墨棒的质量百分比为90％：10％称取石墨棒；
(2)将称取后的锡棒以及石墨棒置于丙酮溶液中进行超声清洗，去除表面的杂质以及污染物，清洗后将其吹干。然后，将锡棒的两端分别装夹在位于悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，使锡棒与抽拉系统同轴，锡棒外围放置电阻线圈；将石墨棒装夹在悬浮区熔定向凝固炉内抽拉系统旁侧的夹具上，使得所述石墨棒与所述锡棒成60°锐角，且所述石墨棒穿过电阻线圈，底端与所述锡棒的熔区接触；
(3)试样装夹好后，将悬浮区熔定向凝固炉抽真空，真空度达到5×10-3Pa时，对所述铜棒进行悬浮区域熔化定向凝固，加热方式采用电阻加热，加热功率从0kw开始，每隔5-10min增加3kw-5kw，直至增加到30kw，电阻加热熔化区域宽度控制在10-20mm；与此同时，通过上下夹头对锡棒通以电流，使得通过锡棒的电流100-120A；抽拉系统以500μm/s-1000μm/s的速度向下抽拉锡棒，且锡棒沿着抽拉系统轴线旋转；在电阻线圈加热的区域，锡棒熔化，位于抽拉系统旁侧夹具上石墨棒移入锡棒熔区内，在电阻线圈的加热下与锡均匀混合。随着锡棒向下抽拉，锡和碳熔融混合后凝固。当锡棒抽拉到最底端时，立即使电阻线圈的加热功率从30kw降到0kw。
之后，取出凝固后的合金棒，去除少量顶端和底端，得到良好的石墨烯/锡复合合金
本发明实施例利用悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/锡复合材料，由于电阻加热过程中对锡棒通以电流，使得锡和碳原子之间形成稳定结合的化学键，形成石墨烯/锡复合材料，即碳原子存在于锡的晶格中，而并非以碳原子形式析出，因此，两相界面结合得很好，有利于提高材料的热导率和电导率；同时，由于区熔定向凝固，使得合金出现柱状晶组织，横向晶界减少，有助于电导率提高。
实施例6
本实施例的石墨烯/金属复合材料由以下质量百分比的原料制成：Pb 97％，C3％。其中，Pb的纯度为99.99％，呈直径为5mm的棒状，高纯碳棒为石墨棒，其纯度满足光谱纯要求，且石墨棒的直径为1mm。图3本发明实施例提供的电阻加热悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/银复合材料的示意图，如图3所示，该石墨烯/铅复合材料的具体制备方法为：
(1)截取30cm长的上述Pb棒，称取其质量，然后按照上述铅棒与上述石墨棒的质量百分比为90％：10％称取石墨棒；
(2)将称取后的Pb棒以及石墨棒置于丙酮溶液中进行超声清洗，去除表面的杂质以及污染物，清洗后将其吹干。然后，将Pb棒的两端分别装夹在位于悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，使Pb棒与抽拉系统同轴，Pb棒外围放置电阻线圈；将石墨棒装夹在悬浮区熔定向凝固炉内抽拉系统旁侧的夹具上，使得所述石墨棒与所述Pb棒成60°锐角，且所述石墨棒穿过电阻线圈，底端与Pb棒熔区接触；
(3)试样装夹好后，将悬浮区熔定向凝固炉抽真空，真空度达到5×10-3Pa时，对所述Pb棒进行悬浮区域熔化定向凝固，加热方式采用电阻加热，加热功率从0kw开始，每隔5-10min增加5kw-8kw，直至增加到40kw，电阻加热的熔化区域宽度控制在30-50mm；与此同时，通过上下夹头对Pb棒通以电流，使得通过Pb棒的电流80-100A；抽拉系统以3000μm/s-5000μm/s的速度向下抽拉Pb棒，且Pb棒沿着抽拉系统轴线旋转；在电阻线圈加热的区域，Pb棒熔化，位于抽拉系统旁侧夹具上石墨棒移入Pb棒熔区内，在电阻线圈的加热下与Pb均匀混合。随着Pb棒向下抽拉，Pb和碳熔融混合后凝固。当Pb棒抽拉到最底端时，立即使电阻线圈的加热功率从40kw降到0kw。
之后，取出凝固后的合金棒，去除少量顶端和底端，得到良好的石墨烯/铅复合合金棒。
经表征，该合金棒为石墨烯/Pb复合材料，合金的导电率以及热导率均有提高。
本发明实施例利用悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/铅复合材料，由于电阻加热过程中对Pb棒通以电流，使得Pb和碳原子之间形成稳定结合的化学键，即碳原子存在于Pb的晶格中，形成石墨烯结构，而并非以碳原子形式析出，因此，两相界面结合得很好，有利于电子传导，提高材料的电导率；同时，由于区熔定向凝固，使得合金出现柱状晶组织，横向晶界减少，有助于电导率提高。
实施例7
本实施例的石墨烯/金属复合材料由以下质量百分比的原料制成：Ni 80％，C20％。其中，Ni的纯度为99.99％，呈直径为8mm的棒状，高纯碳棒为石墨棒，其纯度满足光谱纯要求，且石墨棒的直径为1mm。图1本发明实施例提供的电子束悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/银复合材料的示意图，如图1所所示，该石墨烯/镍复合材料的具体制备方法为：
(1)截取25cm长的上述银棒，称取其质量，然后按照上述镍棒与上述石墨棒的质量百分比为80％：20％称取石墨棒；
(2)将称取后的镍棒以及石墨棒置于丙酮溶液中进行超声清洗，去除表面的杂质以及污染物，清洗后将其吹干。然后，将镍棒的两端分别装夹在位于悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，使镍棒与抽拉系统同轴；将石墨棒装夹在悬浮区熔定向凝固炉内抽拉系统旁侧的夹具上，使得所述石墨棒与所述碳棒成60°锐角，且所述石墨棒的底端与镍棒熔区接触；
(3)试样装夹好后，将悬浮区熔定向凝固炉抽真空，真空度达到5×10-3Pa时，对所述镍棒进行悬浮区域熔化定向凝固，加热方式采用电子束加热，首先将电子枪的电子束功率从0kw开始预热，每隔3min-8min增加5kw-10kw，直至增加到80kw，电子束对所述镍棒进行加热，将电子束束斑大小控制在10-20mm，并集中至所述镍棒熔区，即镍棒的最下端。抽拉系统以1μm/s-100μm/s的速度向下抽拉镍棒，且镍棒沿着抽拉系统轴线旋转；在电子束照射的区域，镍棒熔化，位于抽拉系统旁侧夹具上石墨棒移入镍棒熔区内，在电子束的加热下与镍均匀混合。随着镍棒向下抽拉，镍和碳熔融混合后凝固。当镍棒抽拉到最底端时，立即使电子束功率从80kw降到0kw。
之后，取出凝固后的合金棒，去除少量顶端和底端，得到良好的石墨烯/镍复合合金棒。
本发明实施例利用电子束悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/镍复合材料，由于电子束的作用，镍和碳原子之间形成化学键而稳定结合，即碳原子存在于镍的晶格中，形成石墨烯结构，而并非以碳原子形式析出，因此，两相界面结合得很好，有利于电子传导，提高材料的电导率；同时，由于区熔定向凝固，使得合金出现柱状晶组织，横向晶界减少，电导率进一步提高。
实施例8
本实施例的石墨烯/金属复合材料由以下质量百分比的原料制成：W 80％，C20％。其中，W的纯度为99.99％，呈直径为5mm的棒状，高纯碳棒为石墨棒，其纯度满足光谱纯要求，且石墨棒的直径为1mm。图1本发明实施例提供的电子束悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/银复合材料的示意图，如图1所所示，该石墨烯/钨复合材料的具体制备方法为：
(1)截取10cm长的上述银棒，称取其质量，然后按照上述钨棒与上述石墨棒的质量百分比为80％：20％称取石墨棒；
(2)将称取后的钨棒以及石墨棒置于丙酮溶液中进行超声清洗，去除表面的杂质以及污染物，清洗后将其吹干。然后，将钨棒的两端分别装夹在位于悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，使钨棒与抽拉系统同轴；将石墨棒装夹在悬浮区熔定向凝固炉内抽拉系统旁侧的夹具上，使得所述石墨棒与所述钨棒成60°锐角，且所述石墨棒的底端与钨棒熔区接触；
(3)试样装夹好后，将悬浮区熔定向凝固炉抽真空，真空度达到5×10-4Pa时，对所述钨棒进行悬浮区域熔化定向凝固，加热方式采用电子束加热，首先将电子枪的电子束功率从0kw开始预热，每隔3min-8min增加10kw-20kw，直至增加到120kw，电子束对所述钨棒进行加热，将电子束束斑大小控制在3-5mm，并集中至所述钨棒熔区，即钨棒的最下端。抽拉系统以1μm/s-30μm/s的速度向下抽拉钨棒，且钨棒沿着抽拉系统轴线旋转；在电子束照射的区域，钨棒熔化，位于抽拉系统旁侧夹具上石墨棒移入钨棒内，在电子束的加热下与钨均匀混合。随着钨棒向下抽拉，钨和碳熔融混合后凝固。当钨棒抽拉到最底端时，立即使电子束功率从120kw降到0kw。
之后，取出凝固后的合金棒，去除少量顶端和底端，得到良好的石墨烯/钨复合合金棒。
本发明实施例利用电子束悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/钨复合材料，由于电子束的作用，钨和碳原子之间形成化学键而稳定结合，即碳原子存在于钨的晶格中，形成石墨烯结构，而并非以碳原子形式析出，因此，两相界面结合得很好，有利于电子传导，提高材料的电导率；同时，由于区熔定向凝固，使得合金出现柱状晶组织，横向晶界减少，电导率进一步提高。
实施例9
本实施例的石墨烯/金属复合材料由以下质量百分比的原料制成：Co 90％，C10％。其中，Co的纯度为99.99％，呈直径为3mm的棒状，高纯碳棒为石墨棒，其纯度满足光谱纯要求，且石墨棒的直径为1mm。图1本发明实施例提供的电子束悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/银复合材料的示意图，如图1所所示，该石墨烯/钴复合材料的具体制备方法为：
(1)截取15cm长的上述银棒，称取其质量，然后按照上述钴棒与上述石墨棒的质量百分比为90％：10％称取石墨棒；
(2)将称取后的钴棒以及石墨棒置于丙酮溶液中进行超声清洗，去除表面的杂质以及污染物，清洗后将其吹干。然后，将钴棒的两端分别装夹在位于悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，使钴棒与抽拉系统同轴；将石墨棒装夹在悬浮区熔定向凝固炉内抽拉系统旁侧的夹具上，使得所述石墨棒与所述钴棒成60°锐角，且所述石墨棒的底端与钴棒熔区接触；
(3)试样装夹好后，将悬浮区熔定向凝固炉抽真空，真空度达到5×10-3Pa时，对所述钴棒进行悬浮区域熔化定向凝固，加热方式采用电子束加热，首先将电子枪的电子束功率从0kw开始预热，每隔3min-8min增加5kw-10kw，直至增加到70kw，电子束对所述钴棒进行加热，将电子束束斑大小控制在5-10mm，并集中至所述钴棒熔区，即钴棒的最下端。抽拉系统以50μm/s-100μm/s的速度向下抽拉所述钴棒，且所述钴棒沿着抽拉系统轴线旋转；在电子束照射的区域，钴棒熔化，位于抽拉系统旁侧夹具上的石墨棒移入钴棒熔区内，在电子束的加热下与钴均匀混合。随着所述钴棒向下抽拉，钴和碳熔融混合后凝固。当所述钴棒抽拉到最底端时，使电子束功率从70kw立即降到0kw。
之后，取出凝固后的合金棒，去除少量顶端和底端，得到良好的石墨烯/钴复合合金棒。
本发明实施例利用电子束悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/钴复合材料，由于电子束的作用，钴和碳原子之间形成化学键而稳定结合，即碳原子存在于钴的晶格中，形成石墨烯结构，而并非以碳原子形式析出，因此，两相界面结合得很好，有利于电子传导，提高材料的电导率；同时，由于区熔定向凝固，使得合金出现柱状晶组织，横向晶界减少，电导率进一步提高。
实施例10
本实施例的石墨烯/金属复合材料由以下质量百分比的原料制成：Ti 75％，C25％。其中，Ti的纯度为99.99％，呈直径为5mm的棒状，高纯碳棒为石墨棒，其纯度满足光谱纯要求，且石墨棒的直径为1mm。图2本发明实施例提供的感应加热悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/银复合材料的示意图，如图2所示，该石墨烯/钛复合材料的具体制备方法为：
(1)截取30cm长的上述铜棒，称取其质量，然后按照上述钛棒与上述石墨棒的质量百分比为75％：25％称取石墨棒；
(2)将称取后的钛棒以及石墨棒置于丙酮溶液中进行超声清洗，去除表面的杂质以及污染物，清洗后将其吹干。然后，将钛棒的两端分别装夹在位于悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，使钛棒与抽拉系统同轴，钛棒外围放置感应线圈；将石墨棒装夹在悬浮区熔定向凝固炉内抽拉系统旁侧的夹具上，使得所述石墨棒与所述钛棒成60°锐角，且所述石墨棒穿过感应线圈，底端与所述钛棒的熔区接触；
(3)试样装夹好后，将悬浮区熔定向凝固炉抽真空，真空度达到5×10-4Pa时，对所述钛棒进行悬浮区域熔化定向凝固，加热方式采用感应加热，加热功率从0kw开始，每隔5-10min增加5kw-10kw，直至增加到80kw，感应熔化区域宽度控制在10-20mm；与此同时，通过上下夹头对所述钛棒通以电流，使得通过所述钛棒的电流为100-120A；抽拉系统以1000μm/s-2000μm/s的速度向下抽拉所述钛棒，且所述钛棒沿着抽拉系统轴线旋转；在感应线圈加热的区域，所述钛棒熔化，位于抽拉系统旁侧夹具上的所述石墨棒移入所述钛棒熔区内，在感应线圈的加热下与钛均匀混合。随着所述钛棒向下抽拉，钛和碳熔融混合后凝固。当所述钛棒抽拉到最底端时，使感应线圈的功率从80kw立即降到0kw。
之后，取出凝固后的合金棒，去除少量顶端和底端，得到良好的石墨烯/钛复合合金棒。
本发明实施例利用悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/钛复合材料，由于感应加热过程中对钛棒通以电流，使得银和碳原子之间形成稳定结合的化学键，形成石墨烯/钛复合材料，即碳原子存在于钛的晶格中，而并非以碳原子形式析出，因此，两相界面结合得很好，有利于电子传导，提高材料的电导率；同时，由于区熔定向凝固，使得合金出现柱状晶组织，横向晶界减少，电导率进一步提高。
实施例11
本实施例的石墨烯/金属复合材料由以下质量百分比的原料制成：Al 95％，C5％。其中，Ti的纯度为99.99％，呈直径为5mm的棒状，高纯碳棒为石墨棒，其纯度满足光谱纯要求，且石墨棒的直径为1mm。图2本发明实施例提供的感应加热悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/银复合材料的示意图，如图2所示，该石墨烯/铝复合材料的具体制备方法为：
(1)截取15cm长的上述铜棒，称取其质量，然后按照上述铝棒与上述石墨棒的质量百分比为95％：5％称取石墨棒；
(2)将称取后的铝棒以及石墨棒置于丙酮溶液中进行超声清洗，去除表面的杂质以及污染物，清洗后将其吹干。然后，将铝棒的两端分别装夹在位于悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，使铝棒与抽拉系统同轴，铝棒外围放置感应线圈；将石墨棒装夹在悬浮区熔定向凝固炉内抽拉系统旁侧的夹具上，使得所述石墨棒与所述铝棒成60°锐角，且所述石墨棒穿过感应线圈，底端与所述铝棒的熔区接触；
(3)试样装夹好后，将悬浮区熔定向凝固炉抽真空，真空度达到5×10-3Pa时，对所述铝棒进行悬浮区域熔化定向凝固，加热方式采用感应加热，加热功率从0kw开始，每隔5-10min增加5kw-10kw，直至增加到50kw，感应熔化区域宽度控制在5-10mm；与此同时，通过上下夹头对铝棒通以电流，使得通过铝棒的电流80-100A；抽拉系统以100μm/s-200μm/s的速度向下抽拉铝棒，且铝棒沿着抽拉系统轴线旋转；在感应线圈加热的区域，铝棒熔化，位于抽拉系统旁侧夹具上石墨棒移入铝棒熔区内，在感应线圈的加热下与铝均匀混合。随着铝棒向下抽拉，铝和碳熔融混合后凝固。当铝棒抽拉到最底端时，使感应线圈的功率从50kw立即降到0kw。
之后，取出凝固后的合金棒，去除少量顶端和底端，得到良好的石墨烯/铝复合合金棒。
本发明实施例利用悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/铝复合材料，由于感应加热过程中对铝棒通以电流，使得银和碳原子之间形成稳定结合的化学键，形成石墨烯/铝复合材料，即碳原子存在于铝的晶格中，而并非以碳原子形式析出，因此，两相界面结合得很好，有利于电子传导，提高材料的电导率；同时，由于区熔定向凝固，使得合金出现柱状晶组织，横向晶界减少，电导率进一步提高。
实施例12
本实施例的石墨烯/金属复合材料由以下质量百分比的原料制成：Zn 92％，C8％。其中，Zn的纯度为99.99％，呈直径为5mm的棒状，高纯碳棒为石墨棒，其纯度满足光谱纯要求，且石墨棒的直径为1mm。图3本发明实施例提供的电阻加热悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/银复合材料的示意图，如图3所示，该石墨烯/锌复合材料的具体制备方法为：
(1)截取25cm长的上述Zn棒，称取其质量，然后按照上述锌棒与上述石墨棒的质量百分比为92％：8％称取石墨棒；
(2)将称取后的锌棒以及石墨棒置于丙酮溶液中进行超声清洗，去除表面的杂质以及污染物，清洗后将其吹干。然后，将锌棒的两端分别装夹在位于悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，使锌棒与抽拉系统同轴，锌棒外围放置电阻线圈；将石墨棒装夹在悬浮区熔定向凝固炉内抽拉系统旁侧的夹具上，使得所述石墨棒与所述锌棒成60°锐角，且所述石墨棒穿过电阻线圈，底端与所述锌棒的熔区接触；
(3)试样装夹好后，将悬浮区熔定向凝固炉抽真空，真空度达到5×10-5Pa时，对所述铜棒进行悬浮区域熔化定向凝固，加热方式采用电阻加热，加热功率从0kw开始，每隔5-10min增加5kw-8kw，直至增加到30kw，电阻线圈加热熔化区域宽度控制在20-30mm；与此同时，通过上下夹头对锌棒通以电流，使得通过锌棒的电流80-100A；抽拉系统以200μm/s-500μm/s的速度向下抽拉锌棒，且锌棒沿着抽拉系统轴线旋转；在电阻线圈加热的区域，锌棒熔化，位于抽拉系统旁侧夹具上石墨棒移入锌棒熔区内，在电阻线圈的加热下与锌均匀混合。随着锌棒向下抽拉，锌和碳熔融混合后凝固。当锌棒抽拉到最底端时，使电阻线圈的功率从30kw立即降到0kw。
之后，取出凝固后的合金棒，去除少量顶端和底端，得到良好的石墨烯/锌复合合金棒。
本发明实施例利用悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/锌复合材料，由于电阻加热过程中对锌棒通以电流，使得锌和碳原子之间形成稳定结合的化学键，形成石墨烯/锌复合材料，即碳原子存在于锌的晶格中，而并非以碳原子形式析出，因此，两相界面结合得很好，有利于提高材料的热导率和电导率；同时，由于区熔定向凝固，使得合金出现柱状晶组织，横向晶界减少，电导率进一步提高。
实施例13
本实施例的石墨烯/金属复合材料由以下质量百分比的原料制成：Mo 98％，C2％。其中，Mo的纯度为99.99％，呈直径为3mm的棒状，高纯碳棒为石墨棒，其纯度满足光谱纯要求，且石墨棒的直径为1mm。图1本发明实施例提供的电子束悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/银复合材料的示意图，如图1所所示，该石墨烯/钼复合材料的具体制备方法为：
(1)截取15cm长的上述钼棒，称取其质量，然后按照上述钼棒与上述石墨棒的质量百分比为98％：2％称取石墨棒；
(2)将称取后的钼棒以及石墨棒置于丙酮溶液中进行超声清洗，去除表面的杂质以及污染物，清洗后将其吹干。然后，将钼棒的两端分别装夹在位于悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，使钼棒与抽拉系统同轴；将石墨棒装夹在悬浮区熔定向凝固炉内抽拉系统旁侧的夹具上，使得所述石墨棒与所述钼棒成60°锐角，且所述石墨棒的底端与所述钼棒的熔区接触；
(3)试样装夹好后，将悬浮区熔定向凝固炉抽真空，真空度达到5×10-3Pa时，对所述钼棒进行悬浮区域熔化定向凝固，加热方式采用电子束加热，首先将电子枪的电子束功率从0kw开始预热，每隔3min-8min增加10kw-20kw，直至增加到120kw，电子束对所述钼棒进行加热，将电子束束斑大小控制在1-3mm，并集中至所述钼棒熔区，即钼棒的最下端。抽拉系统以1μm/s-100μm/s的速度向下抽拉钼棒，且钼棒沿着抽拉系统轴线旋转；在电子束照射的区域，钼棒熔化，位于抽拉系统旁侧夹具上石墨棒移入钼棒熔区内，在电子束的加热下与钼均匀混合。随着钼棒向下抽拉，钼和碳熔融混合后凝固。当钼棒抽拉到最底端时，使电子束功率从120kw降到0kw。
之后，取出凝固后的合金棒，去除少量顶端和底端，得到良好的石墨烯/钼复合合金棒。
本发明实施例利用电子束悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/钼复合材料，由于电子束的作用，钼和碳原子之间形成化学键而稳定结合，即碳原子存在于钼的晶格中，形成石墨烯结构，而并非以碳原子形式析出，因此，两相界面结合得很好，有利于电子传导，提高材料的电导率；同时，由于区熔定向凝固，使得合金出现柱状晶组织，横向晶界减少，电导率进一步提高。
实施例14
本实施例的石墨烯/金属复合材料由以下质量百分比的原料制成：Pt 95％，C5％。其中，Pt的纯度为99.99％，呈直径为3mm的棒状，高纯碳棒为石墨棒，其纯度满足光谱纯要求，且石墨棒的直径为1mm。图1本发明实施例提供的电子束悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/银复合材料的示意图，如图1所所示，该石墨烯/铂复合材料的具体制备方法为：
(1)截取10cm长的上述铂棒，称取其质量，然后按照上述铂棒与上述石墨棒的质量百分比为95％：5％称取石墨棒；
(2)将称取后的铂棒以及石墨棒置于丙酮溶液中进行超声清洗，去除表面的杂质以及污染物，清洗后将其吹干。然后，将铂棒的两端分别装夹在位于悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，使铂棒与抽拉系统同轴；将石墨棒装夹在悬浮区熔定向凝固炉内抽拉系统旁侧的夹具上，使得所述石墨棒与所述铂棒成60°锐角，且所述石墨棒的底端与所述铂棒的熔区接触；
(3)试样装夹好后，将悬浮区熔定向凝固炉抽真空，真空度达到5×10-3Pa时，对所述铂棒进行悬浮区域熔化定向凝固，加热方式采用电子束加热，首先将电子枪的电子束功率从0kw开始预热，每隔3min-8min增加10kw-20kw，直至增加到100kw，电子束对所述铂棒进行加热，将电子束束斑大小控制在1-3mm，并集中至所述铂棒的熔区，即铂棒的最下端。抽拉系统以1μm/s-50μm/s的速度向下抽拉铂棒，且铂棒沿着抽拉系统轴线旋转；在电子束照射的区域，铂棒熔化，位于抽拉系统旁侧夹具上石墨棒移入铂棒熔区内，在电子束的加热下与铂均匀混合。随着铂棒向下抽拉，铂和碳熔融混合后凝固。当铂棒抽拉到最底端时，使电子束功率从100kw降到0kw。
之后，取出凝固后的合金棒，去除少量顶端和底端，得到良好的石墨烯/铂复合合金棒。
本发明实施例利用电子束悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/铂复合材料，由于电子束的作用，铂和碳原子之间形成化学键而稳定结合，即碳原子存在于铂的晶格中，形成石墨烯结构，而并非以碳原子形式析出，因此，两相界面结合得很好，有利于电子传导，提高材料的电导率；同时，由于区熔定向凝固，使得合铂出现柱状晶组织，横向晶界减少，电导率进一步提高。
实施例15
本实施例的石墨烯/金属复合材料由以下质量百分比的原料制成：Au 75％，C25％。其中，Au的纯度为99.99％，呈直径为3mm的棒状，高纯碳棒为石墨棒，其纯度满足光谱纯要求，且石墨棒的直径为1mm。图2本发明实施例提供的感应加热悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/银复合材料的示意图，如图2所示，该石墨烯/金复合材料的具体制备方法为：
(1)截取10cm长的上述Au棒，称取其质量，然后按照上述金棒与上述石墨棒的质量百分比为92％：8％称取石墨棒；
(2)将称取后的金棒以及石墨棒置于丙酮溶液中进行超声清洗，去除表面的杂质以及污染物，清洗后将其吹干。然后，将金棒的两端分别装夹在位于悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，使金棒与抽拉系统同轴，金棒外围放置感应线圈；将石墨棒装夹在悬浮区熔定向凝固炉内抽拉系统旁侧的夹具上，使得所述石墨棒与所述金棒成60°锐角，且所述石墨棒穿过感应线圈，底端与所述金棒的熔区接触；
(3)试样装夹好后，将悬浮区熔定向凝固炉抽真空，真空度达到5×10-3Pa时，对所述铜棒进行悬浮区域熔化定向凝固，加热方式采用感应加热，加热功率从0kw开始，每隔5-10min增加10kw-20kw，直至增加到80kw，感应加热熔化区域宽度控制在5-10mm；与此同时，通过上下夹头对金棒通以电流，使得通过金棒的电流100-120A；抽拉系统以1μm/s-100μm/s的速度向下抽拉金棒，且金棒沿着抽拉系统轴线旋转；在感应线圈加热的区域，金棒熔化，位于抽拉系统旁侧夹具上石墨棒移入金棒熔区内，在感应线圈的加热下与金均匀混合。随着金棒向下抽拉，金和碳熔融混合后凝固。当金棒抽拉到最底端时，使感应线圈的功率从80kw降到0kw。
之后，取出凝固后的合金棒，去除少量顶端和底端，得到良好的石墨烯/金复合合金棒。
本发明实施例利用悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/金复合材料，由于感应加热过程中对金棒通以电流，使得金和碳原子之间形成稳定结合的化学键，形成石墨烯/金复合材料，即碳原子存在于金的晶格中，而并非以碳原子形式析出，因此，两相界面结合得很好，有利于提高材料的热导率和电导率；同时，由于区熔定向凝固，使得合金出现柱状晶组织，横向晶界减少，电导率进一步提高。
实施例16
本实施例的石墨烯/金属复合材料由以下质量百分比的原料制成：Y 94％，C 6％。其中，Y的纯度为99.99％，呈直径为3mm的棒状，高纯碳棒为石墨棒，其纯度满足光谱纯要求，且石墨棒的直径为1mm。图2本发明实施例提供的感应加热悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/银复合材料的示意图，如图2所示，该石墨烯/钇复合材料的具体制备方法为：
(1)截取10cm长的上述Y棒，称取其质量，然后按照上述钇棒与上述石墨棒的质量百分比为94％：6％称取石墨棒；
(2)将称取后的钇棒以及石墨棒置于丙酮溶液中进行超声清洗，去除表面的杂质以及污染物，清洗后将其吹干。然后，将钇棒的两端分别装夹在位于悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，使钇棒与抽拉系统同轴，钇棒外围放置感应线圈；将石墨棒装夹在悬浮区熔定向凝固炉内抽拉系统旁侧的夹具上，使得所述石墨棒与所述钇棒成60°锐角，且所述石墨棒穿过感应线圈，底端与所述钇棒的熔区接触；
(3)试样装夹好后，将悬浮区熔定向凝固炉抽真空，真空度达到5×10-5Pa时，对所述钇棒进行悬浮区域熔化定向凝固，加热方式采用感应加热，加热功率从0kw开始，每隔5-10min增加10kw-20kw，直至增加到70kw，感应加热熔化区域宽度控制在5-10mm；与此同时，通过上下夹头对钇棒通以电流，使得通过钇棒的电流120-150A；抽拉系统以50μm/s-100μm/s的速度向下抽拉钇棒，且钇棒沿着抽拉系统轴线旋转；在感应线圈加热的区域，钇棒熔化，位于抽拉系统旁侧夹具上石墨棒移入钇棒熔区内，在感应线圈的加热下与钇均匀混合。随着钇棒向下抽拉，钇和碳熔融混合后凝固。当钇棒抽拉到最底端时，使感应线圈的功率从70kw降到0kw。
之后，取出凝固后的合金棒，去除少量顶端和底端，得到良好的石墨烯/钇复合合金棒。
本发明实施例利用悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/钇复合材料，由于感应加热过程中对钇棒通以电流，使得钇和碳原子之间形成稳定结合的化学键，形成石墨烯/钇复合材料，即碳原子存在于钇的晶格中，而并非以碳原子形式析出，因此，两相界面结合得很好，有利于提高材料的热导率和电导率；同时，由于区熔定向凝固，使得合钇出现柱状晶组织，横向晶界减少，电导率进一步提高。
实施例17
本实施例的石墨烯/金属复合材料由以下质量百分比的原料制成：Ce 97％，C3％。其中，Ce的纯度为99.99％，呈直径为3mm的棒状，高纯碳棒为石墨棒，其纯度满足光谱纯要求，且石墨棒的直径为1mm。图2本发明实施例提供的感应加热悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/银复合材料的示意图，如图2所示，该石墨烯/铈复合材料的具体制备方法为：
(1)截取10cm长的上述Ce棒，称取其质量，然后按照上述铈棒与上述石墨棒的质量百分比为97％：3％称取石墨棒；
(2)将称取后的铈棒以及石墨棒置于丙酮溶液中进行超声清洗，去除表面的杂质以及污染物，清洗后将其吹干。然后，将铈棒的两端分别装夹在位于悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，使钇棒与抽拉系统同轴，铈棒外围放置感应线圈；将石墨棒装夹在悬浮区熔定向凝固炉内抽拉系统旁侧的夹具上，使得所述石墨棒与所述铈棒成60°锐角，且所述石墨棒穿过感应线圈，底端与所述铈棒的熔区接触；
(3)试样装夹好后，将悬浮区熔定向凝固炉抽真空，真空度达到5×10-5Pa时，对所述铈棒进行悬浮区域熔化定向凝固，加热方式采用感应加热，加热功率从0kw开始，每隔5-10min增加10kw-20kw，直至增加到60kw，感应加热熔化区域宽度控制在3-5mm；与此同时，通过上下夹头对钇棒通以电流，使得通过钇棒的电流100-120A；抽拉系统以30μm/s-50μm/s的速度向下抽拉铈棒，且铈棒沿着抽拉系统轴线旋转；在感应线圈加热的区域，铈棒熔化，位于抽拉系统旁侧夹具上石墨棒移入铈棒熔区内，在感应线圈的加热下与铈均匀混合。随着铈棒向下抽拉，铈和碳熔融混合后凝固。当铈棒抽拉到最底端时，使感应线圈的功率从60kw降到0kw。
之后，取出凝固后的合金棒，去除少量顶端和底端，得到良好的石墨烯/铈复合合金棒。
本发明实施例利用悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/铈复合材料，由于感应加热过程中对铈棒通以电流，使得铈和碳原子之间形成稳定结合的化学键，形成石墨烯/铈复合材料，即碳原子存在于铈的晶格中，而并非以碳原子形式析出，因此，两相界面结合得很好，有利于提高材料的热导率和电导率；同时，由于区熔定向凝固，使得合钇出现柱状晶组织，横向晶界减少，电导率进一步提高。
实施例18
本实施例的石墨烯/金属复合材料由以下质量百分比的原料制成：Fe 83％，C17％。其中，Fe的纯度为99.99％，呈直径为5mm的棒状，高纯碳棒为石墨棒，其纯度满足光谱纯要求，且石墨棒的直径为1mm。图3本发明实施例提供的电阻加热悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/银复合材料的示意图，如图3所示，该石墨烯/铁复合材料的具体制备方法为：
(1)截取30cm长的上述铁棒，称取其质量，然后按照上述铁棒与上述石墨棒的质量百分比为83％：17％称取石墨棒；
(2)将称取后的铁棒以及石墨棒置于丙酮溶液中进行超声清洗，去除表面的杂质以及污染物，清洗后将其吹干。然后，将铁棒的两端分别装夹在位于悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，使铁棒与抽拉系统同轴，铁棒外围放置电阻线圈；将石墨棒装夹在悬浮区熔定向凝固炉内抽拉系统旁侧的夹具上，使得所述石墨棒与所述铁棒成60°锐角，且所述石墨棒穿过电阻线圈，底端与所述铁棒的熔区接触；
(3)试样装夹好后，将悬浮区熔定向凝固炉抽真空，真空度达到5×10-3Pa时，对所述铜棒进行悬浮区域熔化定向凝固，加热方式采用电阻加热，加热功率从0kw开始，每隔5-10min增加10kw-20kw，直至增加到70kw，电阻线圈加热熔化区域宽度控制在30-50mm；与此同时，通过上下夹头对铁棒通以电流，使得通过铁棒的电流120-150A；抽拉系统以2000μm/s-5000μm/s的速度向下抽拉铁棒，且铁棒沿着抽拉系统轴线旋转；在电阻线圈加热的区域，铁棒熔化，位于抽拉系统旁侧夹具上石墨棒移入铁棒熔区内，在电阻线圈的加热下与铁均匀混合。随着铁棒向下抽拉，铁和碳熔融混合后凝固。当铁棒抽拉到最底端时，使电阻线圈的功率从70kw立即降到0kw。
之后，取出凝固后的合金棒，去除少量顶端和底端，得到良好的石墨烯/铁复合合金棒。
本发明实施例利用悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/铁复合材料，由于电阻加热过程中对铁棒通以电流，使得铁和碳原子之间形成稳定结合的化学键，形成石墨烯/铁复合材料，即碳原子存在于铁的晶格中，而并非以碳原子形式析出，因此，两相界面结合得很好，有利于提高材料的热导率和电导率；同时，由于区熔定向凝固，使得合金出现柱状晶组织，横向晶界减少，电导率进一步提高。
实施例19
本实施例的石墨烯/金属复合材料由以下质量百分比的原料制成：Cr 92％，C8％。其中，Cr的纯度为99.99％，呈直径为5mm的棒状，高纯碳棒为石墨棒，其纯度满足光谱纯要求，且石墨棒的直径为1mm。图3本发明实施例提供的电阻加热悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/银复合材料的示意图，如图3所示，该石墨烯/铁复合材料的具体制备方法为：
(1)截取15cm长的上述铁棒，称取其质量，然后按照上述铁棒与上述石墨棒的质量百分比为92％：8％称取石墨棒；
(2)将称取后的铬棒以及石墨棒置于丙酮溶液中进行超声清洗，去除表面的杂质以及污染物，清洗后将其吹干。然后，将铬棒的两端分别装夹在位于悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，使铬棒与抽拉系统同轴，铬棒外围放置电阻线圈；将石墨棒装夹在悬浮区熔定向凝固炉内抽拉系统旁侧的夹具上，使得所述石墨棒与所述铬棒成60°锐角，且所述石墨棒穿过电阻线圈，底端与所述铬棒的熔区接触；
(3)试样装夹好后，将悬浮区熔定向凝固炉抽真空，真空度达到5×10-3Pa时，对所述铜棒进行悬浮区域熔化定向凝固，加热方式采用电阻加热，加热功率从0kw开始，每隔5-10min增加5kw-10kw，直至增加到70kw，电阻线圈加热熔化区域宽度控制在5-10mm；与此同时，通过上下夹头对铬棒通以电流，使得通过铬棒的电流120-150A；抽拉系统以1μm/s-200μm/s的速度向下抽拉铬棒，且铬棒沿着抽拉系统轴线旋转；在电阻线圈加热的区域，铬棒熔化，位于抽拉系统旁侧夹具上石墨棒移入所述铬棒熔区内，在电阻线圈的加热下与铬均匀混合。随着铬棒向下抽拉，铬和碳熔融混合后凝固。当铬棒抽拉到最底端时，使电阻线圈的功率从70kw降到0kw。
之后，取出凝固后的合金棒，去除少量顶端和底端，得到良好的石墨烯/铬复合合金棒。
本发明实施例利用悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/铬复合材料，由于电阻加热过程中对铬棒通以电流，使得铬和碳原子之间形成稳定结合的化学键，形成石墨烯/铬复合材料，即碳原子存在于铬的晶格中，而并非以碳原子形式析出，因此，两相界面结合得很好，有利于提高材料的热导率和电导率；同时，由于区熔定向凝固，使得合金出现柱状晶组织，横向晶界减少，电导率进一步提高。
实施例20
本实施例的石墨烯/金属复合材料由以下质量百分比的原料制成：CuNi 70％，C30％。其中，Cu-Ni合金中Cu和Ni的质量百分比为1:1，呈直径为3mm的棒状，高纯碳棒为石墨棒，其纯度满足光谱纯要求，且石墨棒的直径为1mm。图1本发明实施例提供的电子束悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/银复合材料的示意图，如图1所所示，该石墨烯/铜镍复合材料的具体制备方法为：
(1)截取20cm长的上述CuNi棒，称取其质量，然后按照上述铜镍合金棒与上述石墨棒的质量百分比为70％：30％称取石墨棒；
(2)将称取后的铜镍合金棒以及石墨棒置于丙酮溶液中进行超声清洗，去除表面的杂质以及污染物，清洗后将其吹干。然后，将铜镍合金棒的两端分别装夹在位于悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，使铜镍合金棒与抽拉系统同轴；将石墨棒装夹在悬浮区熔定向凝固炉内抽拉系统旁侧的夹具上，使得所述高纯碳棒与所述铜镍合金棒成60°锐角，且所述石墨棒的底端处于铜银合金棒熔区的中心位置；
(3)试样装夹好后，将悬浮区熔定向凝固炉抽真空，真空度达到5×10-3Pa时，对所述铜镍合金棒进行悬浮区域熔化定向凝固，加热方式采用电子束加热，首先将电子枪的电子束功率从0kw开始预热，每隔3min-8min增加5kw-10kw，直至增加到80kw，电子束对所述铜镍合金棒进行加热，将电子束束斑大小控制在3-5mm，并集中至所述铜镍合金棒熔区，即铜镍合金棒的最下端。抽拉系统以1μm/s-300μm/s的速度向下抽拉铜镍合金棒，且铜镍合金棒沿着抽拉系统轴线旋转；在电子束照射的区域，铜镍合金棒熔化，位于抽拉系统旁侧夹具上石墨棒移入熔融铜镍合金棒熔区内，在电子束的加热下与铜镍合金均匀混合。随着铜镍合金棒向下抽拉，铜镍合金和碳熔融混合后凝固。当铜镍合金棒抽拉到最底端时，立即使电子束功率从80kw降到0kw。
之后，取出凝固后的合金棒，去除少量顶端和底端，，得到良好石墨烯/铜镍复合合金棒。
本发明实施例利用电子束悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/铜镍复合材料，由于电子束的作用，铜镍合金和碳原子之间形成化学键而稳定结合，即碳原子存在于铜镍合金的晶格中，形成石墨烯结构，而并非以碳原子形式析出，因此，两相界面结合得很好，有利于电子传导，提高材料的电导率；同时，由于区熔定向凝固，使得合金出现柱状晶组织，横向晶界减少，电导率进一步提高。
实施例21
本实施例的石墨烯/金属复合材料由以下质量百分比的原料制成：AgCu 90％，C10％。其中，Ag-Cu合金中Ag和Cu的质量百分比为1:10，呈直径为3mm的棒状，高纯碳棒为石墨棒，其纯度满足光谱纯要求，且石墨棒的直径为1mm。图1本发明实施例提供的电子束悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/银-铜复合材料的示意图，如图1所示，该石墨烯/铜镍复合材料的具体制备方法为：
(1)截取20cm长的上述AgCu棒，称取其质量，然后按照上述铜镍合金棒与上述石墨棒的质量百分比为90％：10％称取石墨棒；
(2)将称取后的铜银合金棒以及石墨棒置于丙酮溶液中进行超声清洗，去除表面的杂质以及污染物，清洗后将其吹干。然后，将铜银合金棒的两端分别装夹在位于悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，使铜银合金棒与抽拉系统同轴；将石墨棒装夹在悬浮区熔定向凝固炉内抽拉系统旁侧的夹具上，使得所述高纯碳棒与所述铜银合金棒成60°锐角，且所述石墨棒的底端处于铜镍合金棒熔区的中心位置；
(3)试样装夹好后，将悬浮区熔定向凝固炉抽真空，真空度达到5×10-3Pa时，对所述铜镍合金棒进行悬浮区域熔化定向凝固，加热方式采用电子束加热，首先将电子枪的电子束功率从0kw开始预热，每隔3min-8min增加5kw-10kw，直至增加到70kw，电子束对所述铜银合金棒进行加热，将电子束束斑大小控制在3-5mm，并集中至所述铜银合金棒熔区，即铜银合金棒的最下端。抽拉系统以100μm/s-300μm/s的速度向下抽拉铜银合金棒，且铜银合金棒沿着抽拉系统轴线旋转；在电子束照射的区域，铜银合金棒熔化，位于抽拉系统旁侧夹具上石墨棒移入熔融铜银合金棒熔区内，在电子束的加热下与铜银合金均匀混合。随着铜银合金棒向下抽拉，铜银合金和碳熔融混合后凝固。当铜银合金棒抽拉到最底端时，立即使电子束功率从70kw降到0kw。
之后，取出凝固后的合金棒，去除少量顶端和底端，得到良好石墨烯/铜银复合合金棒。
本发明实施例利用电子束悬浮区熔定向凝固制备石墨烯/铜银复合材料，由于电子束的作用，铜银合金和碳原子之间形成化学键而稳定结合，即碳原子存在于铜银合金的晶格中，形成石墨烯结构，而并非以碳原子形式析出，因此，两相界面结合得很好，有利于电子传导，提高材料的电导率；同时，由于区熔定向凝固，使得合金出现柱状晶组织，横向晶界减少，电导率进一步提高。

Claims (7)

1.一种石墨烯/金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法的步骤如下：
（1）将金属棒与高纯碳棒按一定的质量百分比称取，所述高纯碳棒所占的质量百分比在1%-30%之间；
（2）将经过清洗的所述金属棒的两端分别装夹在位于悬浮区熔定向凝固炉内的抽拉系统的上夹头和下夹头上，并使金属棒与抽拉系统同轴；将高纯碳棒装夹在悬浮区熔定向凝固炉内抽拉系统旁侧的夹具上，使得所述高纯碳棒与所述金属棒成锐角，且所述高纯碳棒的底端与金属棒的熔区接触；
（3）将悬浮区熔定向凝固炉抽真空，对所述金属棒进行悬浮区域熔化定向凝固，控制熔区长度在1-50mm，熔体温度高于金属的熔点，将所述金属棒以1-5000 μm/s的速率从上至下移动，且沿着抽拉系统的轴线旋转；所述高纯碳棒的底端始终处于所述金属棒的熔区内；
（4）当金属棒移动到最底端，立即使加热功率降到零，冷却后取出金属棒；
所述的高纯碳棒为石墨棒。
2.根据权利要求1所述的石墨烯/金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述悬浮区熔定向凝固炉采用电子束加热。
3.根据权利要求1所述的石墨烯/金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述悬浮区熔定向凝固炉采用感应加热或电阻加热。
4.根据权利要求3所述的石墨烯/金属复合材料的制备方法，其特征在于，当所述悬浮区熔定向凝固炉采用感应加热或电阻加热时，所述定向凝固过程，抽拉系统的上夹头和下夹头加有电压，所述金属棒中有电流通过。
5.根据权利要求1所述的石墨烯/金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述的金属包括金、银、铜、铁、钴、镍、铝、锌、锡、铅、钛、铬、铟、钨、钼、铂、钇、铈或铜银、铜镍合金。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的石墨烯/金属复合材料的制备方法，其特征在于，所制备得到的石墨烯/金属复合材料的成分包括金属和石墨烯；所述金属与所述石墨烯形成单相；所述石墨烯存在于所述金属的晶格之中。
7.根据权利要求6所述的石墨烯/金属复合材料的制备方法，其特征在于，所制备得到的石墨烯/金属复合材料形成柱状晶组织。
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