CN108717887A - 一种各向异性石墨烯金属复合导线及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有各向异性微结构的石墨烯/金属复合导线及其制备方法，该方法包括将涂布石墨烯的金属箔卷成卷或层叠，再热压或热等静压，最后进行挤压拉丝得到石墨烯/金属复合导线。本发明制得的各向异性石墨烯复合金属复合导线的金属相与石墨烯相紧密堆积，保持了重复交错的周期性排列结构，石墨烯层与金属层均平行于卷带的轴向或层叠的平面方向，使取向方向上导电、导热和力学性能都得到了显著的提升。

Description

一种各向异性石墨烯金属复合导线及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种石墨烯复合金属材料，特别是一种各向异性石墨烯金属复合导线。
背景技术
随着复合金属材料在能源、电子、航空航天、车辆、船舶、建筑工程等众多领域的广泛应用。高性能复合金属材料及其制备工艺的发展成为了推动相关领域进步的重要条件。复合之后的金属材料能够在导电性、导热性、机械强度等性能上实现多方面的提升。近年来，石墨烯与金属的复合体系吸引了人们的关注。石墨烯是一种由碳原子构成的二维纳米材料，石墨烯因其巨大的比表面积、超高的机械强度、极佳的导电及导热性能等独特的结构特征，具备了优异的物理化学性能。石墨烯与金属的复合材料有望改善金属材料的力学、电学等性能，从而满足新型应用中的需求。
目前制备石墨烯/金属复合材料体系的方法主要包括熔融铸造法和粉末冶金法。采用传统熔融铸造法，由于石墨烯与金属之间的密度差异大、界面不润湿，石墨烯很难在金属熔融液内部均匀分散，此外，二者在材料制备过程中还有可能发生高温界面反应，生成会恶化材料性能的脆性相。采用传统的粉末冶金法存在的问题是石墨烯与在金属基体中不能均匀分散，容易出现团聚的现象，从而导致石墨烯在金属基体中难以形成连续相，会限制性能提高的效果。
现有技术中，所制备的石墨烯/金属复合材料均为各个方向上的性能指标相同上午各向同性结构，。在实际应用中，如导电、导热领域，常常需要考虑的是特定方向上的电和热的传递；如防护、抗冲击方面，材料的受力方向也常常发生在在特定方向上。因此，发展各向异性的石墨烯/金属复合材料，使复合材料体系的性能在特定方向上得到突出的提升，能够更好地满足实际应用中的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种各向异性石墨烯金属复合导线及其制备方法，该复合材料中石墨烯与金属相沿着特定方向排列，可实现材料的导电、导热、力学性能在取向方向上实现显著的提升。
实现本发明上述目的技术方案如下：
一种各向异性石墨烯金属复合导线的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)制备稳定分散的石墨烯涂布液；
(2)干燥所述石墨烯涂布液涂布的金属箔得到负载石墨烯薄膜的金属箔；
(3)将负载石墨烯薄膜的金属箔卷绕成卷或者层叠，热压或热等静压处理，得到各向异性的石墨烯金属复合材料；
(4)在挤压设备中沿材料的取向方向将所述石墨烯金属复合材料挤压成挤压杆，进一步拉拔丝得到石墨烯金属复合导线。
优选的，所述步骤(1)中涂布液的分散质包括从石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯和化学修饰石墨烯中选出的一种或几种分散质。
优选的，所述步骤(1)涂布液中的石墨烯浓度不大于100mg/mL。
优选的，所述步骤(2)中所述涂布方法包括刮涂、浸涂、喷涂或悬涂。
优选的，所述步骤(2)中金属箔包括从铝箔、铜箔、银箔、金箔、锌箔、镍箔和锡箔选出的一种金属箔。
优选的，所述步骤(2)中金属箔的厚度为5～500微米。
优选的，所述步骤(2)中石墨烯薄膜的厚度不大于1微米。
优选的，所述步骤(4)中挤压设备为立式金属挤压机，包括承载机架以及从上向下设置在承载机架中间的移动工作台、支撑座、主缸、和导向单元；
所述承载机架包括四根对称设置的垂直立柱梁以及分别位于该垂直立柱梁两端的上半圆梁和下半圆梁、上半圆梁上设有取料口；
所述移动工作平台可在支撑座上水平移动；
所述主缸包括主缸缸体和位于主缸缸体内部的主缸柱塞，主缸缸体通过位于垂直立柱梁四周的支撑座固定于地面，主缸柱塞带动承载机架在竖直方向运动，并且通过导向单元进行导向。
优选的，所述步骤(4)中的挤压杆为9.5毫米。
优选的，所述步骤(4)中的石墨烯金属复合导线直径为3毫米
一种各向异性石墨烯金属复合导线，所述石墨烯复合金属材料由上述制备方法制得。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：
(1)本发明制得的各向异性石墨烯金属复合导线的金属相与石墨烯相紧密堆积，并保持了重复交错的周期性排列结构；
(2)本发明制得的各向异性石墨烯金属复合导线的石墨烯层与金属层均平行于卷带的轴向或层叠的平面方向；
(3)本发明所用的立式金属挤压机采用的导向单元，具有较高的导向精度，减少了制品的偏心可能。
附图说明
图1为本发明所用立式金属挤压机整体的三维结构示意图
图2为本发明所用立式金属挤压机承载机架示意图；
图3为本发明所用立式金属挤压机承载机架剖视图
其中：1：主缸；2：承载机架；3：移动工作台；4：支撑座；5：导向单元；21：立柱梁；22：上半圆梁；23：下半圆梁；24：钢丝层；25：定位键；26：外垫板；27：内垫板；28：上垫板；29：出料口。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种具有各向异性微结构的石墨烯/金属复合导线及其制备方法，该复合材料中石墨烯与金属相沿着特定方向排列。
实施例1本发明使用的立式金属挤压机
该挤压机包括主缸1、承载机架2、移动工作台3、支撑座4和导向单元5；其中，主缸的数量为一个，靠近承载机架2的下部，主缸缸体通过支撑座固定于地面，将支撑座通过立柱支撑于地面上，移动工作台3位于挤压机中部且位于支撑座4上方，主缸1与承载机架2间通过导向单元5进行导向。所述承载机架2包括四根左右对称的垂直立柱梁21、上半圆梁22和下半圆梁23，在所述上半圆梁、下半圆梁和垂直立柱梁外表面采用预应力钢丝层24将其缠绕成一个整体。此外，该挤压机还包括垫板，分别装于上半圆梁和下半圆梁，可以在上半圆梁的垫板上装载必要的工模具。
承载机架2的机构如图2、图3所示，包括四根对称设置的垂直立柱梁21以及分别位于该立柱梁两端的上半圆梁22和下半圆梁23；上半圆梁22和下半圆梁23均为半圆形梁，其弧形外表面上开有槽，以容纳钢丝曾24，半圆形梁前后表面上有凹坑，在满足受力要求的情况下可以减小该处壁厚，使得上半圆梁或下半圆梁内各处的壁厚相近，有利半圆形梁的铸造和承载机架整体的减重；上半圆梁22的下表面为平面，与立柱梁21上表面接触，下半圆梁23的上表面为平面，与立柱梁21下表面接触；立柱梁21外表面开有矩形槽，以容纳钢丝层24；上半圆梁22下表面通过螺栓装有上垫板28，用于悬挂和装配模具及模座；上垫板28中心有孔，上半圆梁22中部有贯通孔，两者的孔为等直径同心设置，组成挤压机上部的出料口29；下半圆梁23上表面内嵌外垫板26和内垫板27，外垫板26和下半圆梁23之间采用定位键25进行定位，外垫板26中心有通孔，内垫板27呈圆形、其直径大于外垫板中心通孔直径，且位于外垫板下方，外垫板将内垫板压紧于下半圆梁上；外垫板26上设有一圈与主缸卡环端部表面螺钉沉头孔16-3相对应的螺纹孔，两者的公称直径相同，通过螺钉固定外垫板和主缸卡环。
下述实施例均使用实施例1的立式金属挤压机
实施例2石墨烯/金属复合导线的制备方法：
(1)首先制备稳定分散的石墨烯涂布液。该涂布液中的分散质为石墨烯、溶剂为去离子水。涂布液的浓度为20mg/mL。
(2)将石墨烯涂布液使用实施例1的涂布机使用喷涂的方法均匀涂布在240微米厚的铝箔的表面，涂布液干燥后在铝箔表面形成一层厚度为0.3微米的石墨烯薄膜，得到负载石墨烯薄膜的铝箔。
(3)将负载石墨烯薄膜的铝箔卷绕成卷，形成铝箔层与石墨烯层重复交错的周期性排列结构。进一步采取热压工艺处理，使该结构致密化，其中的孔隙得以消除，金属相与石墨烯相紧密堆积，并保持了重复交错的周期性排列结构，最终得到各向异性的石墨烯金属复合材料。其中的石墨烯层与金属层均平行于卷带的轴向方向。
(4)将块体形式的石墨烯金属复合材料置于挤压设备中，材料的取向方向与挤压方向保持一致。施加压力使材料挤出形成直径约9.5毫米的挤压杆，并进一步采用拉拔丝工艺得到直径约3毫米的石墨烯金属复合导线。
实施例3石墨烯/金属复合导线的制备方法：
(1)首先制备稳定分散的石墨烯涂布液。该涂布液中的分散质为氧化石墨烯、溶剂包括乙醇和异丙醇。涂布液的浓度为40mg/mL。
(2)将石墨烯涂布液均匀刮涂涂布在350微米厚铝箔的表面，涂布液干燥后在铜箔表面形成一层0.5微米厚的石墨烯薄膜，得到负载石墨烯薄膜的铝箔。
(3)层叠负载石墨烯薄膜的铝箔卷，形成铝箔层与石墨烯层重复交错的周期性排列结构。进一步采取热等静压工艺处理，使该结构致密化，其中的孔隙得以消除，金属相与石墨烯相紧密堆积，并保持了重复交错的周期性排列结构，最终得到各向异性的石墨烯金属复合材料。其中的石墨烯层与金属层均平行于层叠的平面方向。
(4)将块体形式的石墨烯金属复合材料置于挤压设备中，材料的取向方向与挤压方向保持一致。施加压力使材料挤出形成直径约9.5毫米的挤压杆，并进一步采用拉拔丝工艺得到直径约3毫米的石墨烯金属复合导线。
实施例4石墨烯/金属复合导线的制备方法：
(1)首先制备稳定分散的石墨烯涂布液。该涂布液中的分散质包括还原氧化石墨烯、溶剂包括NMP。涂布液的浓度为60mg/mL。
(2)将石墨烯涂布液均匀浸涂涂布在0.8微米厚的铝箔的表面，涂布液干燥后在铝箔表面形成一层400微米厚的石墨烯薄膜，得到负载石墨烯薄膜的铝箔。
(3)将负载石墨烯薄膜的铝箔卷绕成卷，形成铝箔层与石墨烯层重复交错的周期性排列结构。进一步采取热压工艺处理，使该结构致密化，其中的孔隙得以消除，金属相与石墨烯相紧密堆积，并保持了重复交错的周期性排列结构，最终得到各向异性的石墨烯金属复合材料。其中的石墨烯层与金属层均平行于卷带的轴向方向。
(4)将块体形式的石墨烯金属复合材料置于挤压设备中，材料的取向方向与挤压方向保持一致。施加压力使材料挤出形成直径约9.5毫米的挤压杆，并进一步采用拉拔丝工艺得到直径约3毫米的石墨烯金属复合导线。
实施例5石墨烯/金属复合导线的制备方法：
(1)首先制备稳定分散的石墨烯涂布液。该涂布液中的分散质包括化学修饰石墨烯、溶剂包括DMF。涂布液的浓度为100mg/mL。
(2)将石墨烯涂布液均匀浸涂涂布在1微米厚的铝箔的表面，涂布液干燥后在铝箔表面形成一层500微米厚的石墨烯薄膜，得到负载石墨烯薄膜的铝箔。
(3)层叠负载石墨烯薄膜的铝箔卷，形成铝箔层与石墨烯层重复交错的周期性排列结构。进一步采取热等静压工艺处理，使该结构致密化，其中的孔隙得以消除，金属相与石墨烯相紧密堆积，并保持了重复交错的周期性排列结构，最终得到各向异性的石墨烯金属复合材料。其中的石墨烯层与金属层均平行于卷带的轴向方向。
(4)将块体形式的石墨烯金属复合材料置于挤压设备中，材料的取向方向与挤压方向保持一致。施加压力使材料挤出形成直径约9.5毫米的挤压杆，并进一步采用拉拔丝工艺得到直径约3毫米的石墨烯金属复合导线。
将实施例2～实施例5所得到的石墨烯/金属复合导线进行力学性能、导热性能及阻尼性能的性能测试，测试结果见表1。
表1实施例2～实施例4的粉末所得复合材料的性能
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (11)

1.一种各向异性石墨烯金属复合导线的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)制备稳定分散的石墨烯涂布液；
(2)干燥所述石墨烯涂布液涂布的金属箔得到负载石墨烯薄膜的金属箔；
(3)将负载石墨烯薄膜的金属箔卷绕成卷或者层叠，热压或热等静压处理，得到各向异性的石墨烯金属复合材料；
(4)在挤压设备中沿材料的取向方向将所述石墨烯金属复合材料挤压成挤压杆，进一步拉拔丝得到石墨烯金属复合导线。
2.根据权利要求1所述的一种各向异性石墨烯金属复合导线的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中涂布液的分散质包括从石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯和化学修饰石墨烯中选出的一种或几种分散质。
3.根据权利要求1所述的一种各向异性石墨烯金属复合导线的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)涂布液中的石墨烯浓度不大于100mg/mL。
4.根据权利要求1所述的一种各向异性石墨烯金属复合导线的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中所述涂布方法包括刮涂、浸涂、喷涂或悬涂。
5.根据权利要求1所述的一种各向异性石墨烯金属复合导线的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中金属箔包括从铝箔、铜箔、银箔、金箔、锌箔、镍箔和锡箔选出的一种金属箔。
6.根据权利要求1所述的一种各向异性石墨烯金属复合导线的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中金属箔的厚度为5～500微米。
7.根据权利要求1所述的一种各向异性石墨烯金属复合导线的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中石墨烯薄膜的厚度不大于1微米。
8.根据权利要求1所述的一种各向异性石墨烯金属复合导线的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中挤压设备为立式金属挤压机，包括承载机架以及从上向下设置在承载机架中间的移动工作台、支撑座、主缸、和导向单元；
所述承载机架包括四根对称设置的垂直立柱梁以及分别位于该垂直立柱梁两端的上半圆梁和下半圆梁、上半圆梁上设有取料口；
所述移动工作平台可在支撑座上水平移动；
所述主缸包括主缸缸体和位于主缸缸体内部的主缸柱塞，主缸缸体通过位于垂直立柱梁四周的支撑座固定于地面，主缸柱塞带动承载机架在竖直方向运动，并且通过导向单元进行导向。
9.根据权利要求1所述的一种各向异性石墨烯金属复合导线的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中的挤压杆为9.5毫米。
10.根据权利要求1所述的一种各向异性石墨烯金属复合导线的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中的石墨烯金属复合导线直径为3毫米。
11.一种各向异性石墨烯金属复合导线，其特征在于，所述石墨烯复合金属材料由权利要求1～10的任意一项制备方法制得。
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