CN109234563A - 一种新型石墨烯-金属基复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种新型石墨烯‑金属基复合材料的制备方法，包括：(1)以天然鳞片石墨为原料，将其氧化为氧化石墨，离心水洗至pH为中性得到下层氧化石墨浆料；将下层氧化石墨浆料重新分散到去离子水中，离心取上层氧化石墨烯溶液，(2)先用液氮进行冷冻，然后干燥得到氧化石墨烯粉末；在强还原剂水合肼中还原，去离子水和乙醇进行反复洗涤，真空干燥得到石墨烯粉末；(3)将石墨烯粉末分散到无水乙醇中，超声得石墨烯分散液，再将金属基粉体加入到石墨烯分散液中，球磨，真空干燥，然后通过热等静压和热挤压制备石墨烯‑金属基复合材料。本发明以石墨烯为金属基复合材料的增强剂，提高其硬度、导电性及导热性以及降低密度。

Description

一种新型石墨烯-金属基复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及改性金属基复合材料技术领域，特别是指一种新型石墨烯-金属基复合材料的制备方法。
背景技术
我国在上世纪九十年代就开始开展了改性金属基复合材料的研究。经过多年的不断努力，目前，金属基复合材料已经在军事、民用等领域实现了产业化。但是，金属基复合材料在使用过程中，存在许多问题，比如硬度不够、质量重、导电性及导热性差等。
石墨烯是具有单层碳原子的二维蜂窝状纳米材料，具有优异的物理及化学性能，比如超大的比表面积、超高的载流子迁移率、优异的导电性和导热性、超高的机械性能等特点，已在许多领域得到广泛的研究及应用。
石墨烯可以作为最理想的金属基复合材料的增强剂，其具有以下优势：①石墨烯具有超大的比表面积，可以将金属基粉体均匀的分散在石墨烯表面；②石墨烯具有优异的导热性及导电性，可以提到金属基复合材料的导热性及导电性能；③石墨烯是目前世界上发现的最硬的材料，可以有效的改善金属基复合材料的强度；④石墨烯是目前世界上发现的最轻的材料，可以降低金属基复合材料的密度，减轻质量。
发明内容
本发明提出一种新型石墨烯-金属基复合材料的制备方法，该方法制备简单，价格低廉，适于规模化生产。
本发明的第二个目的是提供一种利用上述方法制备的新型石墨烯-金属基复合材料。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种新型石墨烯-金属基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用天然鳞片石墨为原料，通过氧化石墨还原法先将天然鳞片石墨氧化为氧化石墨，离心水洗至pH为中性得到下层氧化石墨浆料，通过自制的管式超声机将下层氧化石墨浆料重新分散到去离子水中，离心取上层氧化石墨烯溶液；
(2)先用液氮进行冷冻，然后放入冷冻干燥机中干燥得到氧化石墨烯粉末，在强还原剂水合肼中还原，去离子水和乙醇进行反复洗涤，真空干燥得到干燥的石墨烯粉末；
(3)将石墨烯粉末分散到无水乙醇中，在超声波细胞粉碎机下超声得到石墨烯分散液，再按照一定质量比将金属基粉体加入到石墨烯分散液中，球磨，真空干燥得到干燥的粉末，然后通过热等静压和热挤压得到石墨烯-金属基复合材料。
优选的，步骤(1)中所采用的天然鳞片石墨的目数为325目～1000目。
优选的，步骤(1)中氧化过程分为低温氧化、中温氧化、高温氧化三个过程，低温氧化温度为-10℃，时间为1～3h；中温氧化温度为35℃，时间为3～5h；高温氧化温度为75℃，时间为3～5h。
优选的，步骤(1)中离心过程中的转速为3000～9000rmp，离心时间为5～10min。
优选的，步骤(1)中所述自制的管式超声机是用长250cm，直径30cm的圆柱形器皿中加入10～15个超声源，超声功率为300～500W，超声时间为5～10min。
优选的，步骤(3)中石墨烯粉末在无水乙醇的浓度为0.1～1mg/ml，超声波细胞粉碎机的超声功率为400～1000W，超声时间为1～2h。
优选的，步骤(3)中石墨烯粉末占石墨烯粉末与金属基粉体总质量的0.1％～2％，所述金属粉体为铝基粉体、铜基粉体、镍基粉体、镁基粉体中的一种或多种，金属粉体的粒度为2～300μm。
优选的，步骤(3)中球磨的转速为400～600r，时间为12～24h。
优选的，步骤(3)中热等静压和热挤压的压力均为100～200MPa，温度均为1200～1300℃，时间均为2～3h。
本发明还提供了一种利用上述方法制备的石墨烯-金属基复合材料。
本发明的有益效果为：
1.本发明采用天然鳞片石墨作为原料，通过自制的管式超声机可以得到分散性极好的石墨烯粉末。
2.本发明制备的石墨烯-金属基复合材料的分散性极好，不易发生石墨烯团聚现象；并且由于石墨烯具有较强的“碳-碳”键，将石墨烯与金属基粉体混合，外界应力必须累积打破“碳-碳”键，才能使晶格错位进一步发展，因此加入石墨烯之后可以大大提高金属材料的硬度。
3.本发明涉及改性金属基复合材料制备领域，具体为以石墨烯为金属基复合材料的增强剂对其进行改性，提高其硬度、导电性及导热性、以及降低密度等优势，该方法制备简单，价格低廉，适于规模化生产。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
采用500目的天然鳞片石墨为原料，通过氧化石墨还原法先将天然鳞片石墨氧化为氧化石墨，氧化过程分为低温氧化、中温氧化、高温氧化三个过程，低温氧化温度为-10℃，时间为1.5h；中温氧化温度为35℃，时间为3h；高温氧化温度为75℃，时间为4h；在3000rmp～9000rmp的转速下，离心水洗5min，至pH为中性得到下层氧化石墨浆料；在400W的功率下，通过自制的管式超声机将下层氧化石墨浆料重新分散到去离子水中，离心取上层氧化石墨烯溶液，先用液氮进行冷冻，然后放入冷冻干燥机中干燥得到氧化石墨烯粉末；在强还原剂水合肼中还原，去离子水和乙醇进行反复洗涤，真空干燥得到干燥的石墨烯粉末；将石墨烯粉末分散到无水乙醇中，浓度为0.3mg/mL，在800W功率下，用超声波细胞粉碎机超声1.5h得到石墨烯分散液，将粒度为150μm的铝基粉体添加到石墨烯分散液中，其中石墨烯粉末占石墨烯粉末与铝基粉体总质量的0.2％，在600r转速下球磨18h，真空干燥得到干燥的粉末，然后通过热等静压和热挤压制备石墨烯-铝基复合材料，其中压力为150MPa，温度为1250℃，时间为2h。
该方法制备的石墨烯-铝基复合材料与未添加的铝基复合材料相比，强度提高220％。
实施例2
石墨烯粉末在无水乙醇中的浓度为1mg/mL，其它过程与实施例1相同。
该方法制备的石墨烯-铝基复合材料与未添加的铝基复合材料相比，强度提高108％。
实施例3
以粒度为50μm的铜基粉体做金属基粉体，其它过程与实施例1相同。
该方法制备的石墨烯-铜基复合材料与未添加的铜基复合材料相比，强度提高300％。
实施例4
以粒度为100um的镍基粉体做金属基粉体，其它过程与实施例1相同。
该方法制备的石墨烯-镍基复合材料与未添加的镍基复合材料相比，强度提高150％。
实施例5
以质量比为1∶1∶1的铝基、铜基、镁基混合粉体做金属基粉体，其它过程与实施例1相同。
该方法制备的石墨烯-铜基复合材料与未添加的铜基复合材料相比，强度提高250％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型石墨烯-金属基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)采用天然鳞片石墨为原料，通过氧化石墨还原法先将天然鳞片石墨氧化为氧化石墨，离心水洗至pH为中性得到下层氧化石墨浆料，通过自制的管式超声机将下层氧化石墨浆料重新分散到去离子水中，离心取上层氧化石墨烯溶液；
(2)先用液氮进行冷冻，然后放入冷冻干燥机中干燥得到氧化石墨烯粉末，在强还原剂水合肼中还原，去离子水和乙醇进行反复洗涤，真空干燥得到干燥的石墨烯粉末；
(3)将石墨烯粉末分散到无水乙醇中，在超声波细胞粉碎机下超声得到石墨烯分散液，再按照一定质量比将金属基粉体加入到石墨烯分散液中，球磨，真空干燥得到干燥的粉末，然后通过热等静压和热挤压得到石墨烯-金属基复合材料。
2.如权利要求1所述的一种新型石墨烯-金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所采用的天然鳞片石墨的目数为325目～1000目。
3.如权利要求1所述的一种新型石墨烯-金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中氧化过程分为低温氧化、中温氧化、高温氧化三个过程，低温氧化温度为-10℃，时间为1～3h；中温氧化温度为35℃，时间为3～5h；高温氧化温度为75℃，时间为3～5h。
4.如权利要求1所述的一种新型石墨烯-金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中离心过程中的转速为3000～9000rmp，离心时间为5～10min。
5.如权利要求1所述的一种新型石墨烯-金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述自制的管式超声机是用长250cm，直径30cm的圆柱形器皿，中加入10～15个超声源，超声功率为300～500W，超声时间为5～10min。
6.如权利要求1所述的一种新型石墨烯-金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中石墨烯粉末在无水乙醇的浓度为0.1～1mg/ml，超声波细胞粉碎机的超声功率为400～1000W，超声时间为1～2h。
7.如权利要求1所述的一种新型石墨烯-金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中石墨烯粉末占石墨烯粉末与金属基粉体总质量的0.1％～2％，所述金属粉体为铝基粉体、铜基粉体、镍基粉体、镁基粉体中的一种或多种，金属粉体的粒度为2～300μm。
8.如权利要求1所述的一种新型石墨烯-金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中球磨的转速为400～600r，时间为12～24h。
9.如权利要求1所述的一种新型石墨烯-金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中热等静压和热挤压的压力均为100～200MPa，温度均为1200～1300℃，时间均为2～3h。
10.如权利要求1-9任一项所述的方法制备的石墨烯-金属基复合材料。
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