CN110697695A - 一种石墨烯增强金属基泡沫骨架结构复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种石墨烯增强金属基泡沫骨架结构复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将泡沫铜放入清洗剂中超声清洗30‑60min，得到预处理的泡沫铜；(2)采用氧化法得到氢氧化铜‑泡沫铜基体；(3)将步骤(2)得到的改性泡沫铜基体置于800‑1000℃下煅烧，得到纳米氧化铜‑泡沫铜基体；(4)在纳米氧化铜‑泡沫铜基体上生长出三维石墨烯，得到石墨烯增强金属基泡沫骨架结构复合材料；本发明通过简单的氧化法在泡沫铜基底上原位制备出具有介孔结构的氧化铜，提高泡沫铜的比表面积，从而使金属氧化物模板具有可控多级孔，作为一种介孔骨架材料为后续的化学气相沉积反应提供大量的活性位点，使得生长的石墨烯具备较为完善的三维网络结构，使之更好地增强金属基复合材料的强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种石墨烯增强金属基泡沫骨架结构复合材料的制备方法。
背景技术
石墨烯是由单层碳原子排列成六边形晶格的一种异形体，具有碳原子sp2杂化轨道按照蜂巢晶体排列，只有一个碳原子的厚度，它是碳的许多其他异形体的基本结构元素，如石墨、钻石、碳、碳纳米管和富勒烯；石墨烯独特的二维结构使得它具备了优异的电导率、热导率、电子迁移率、力学强度等性能，自被发现以来，针对石墨烯作为半导体器件、晶体管、高灵敏度传感器以及储能电极材料等新核心材料的研究都有大规模的研究以及较为良好的研究成果；
铜作为人们最早发现和使用的金属由于其优良的导电导热和良好的延展性被广泛应用于电子工业领域，但是纯铜的强度低、耐高温性差的缺点，使其应用范围受到了极大地限制，已无法满足目前工业生产的要求；近年来科研学者在不断探究以铜为基体，向其中加入增强体来增强铜的综合性能，主要手段是在铜基体中引入稳定的第二相，使其均匀地分布于铜基体中，经过加工处理后得到的复合材料在强度等方面较纯铜得到了较大提升；石墨烯作为一种新型增强体已经在金属基复合材料领域取得了一定的研究进展；其中化学气相沉积法是制备高质量石墨烯的主要方法，目前该法一般采用泡沫过渡金属作催化剂和模板，但制备出的石墨烯网络具有无序的多孔结构，孔径高达数百微米，体积密度较低，极易团聚在一起，导致材料产生缺陷，进而影响到三维网络的机械强度。
发明内容
本发明的目的是为了解决以上现有技术的不足，提出了一种石墨烯增强金属基泡沫骨架结构复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将泡沫铜放入清洗剂中超声清洗30-60min，得到预处理的泡沫铜；
(2)分别配置浓度为5mol/L的氢氧化钠水溶液和0.25mol/L的过硫酸铵水溶液，将二者等体积混合得到混合溶液，将步骤(1)中预处理的泡沫铜浸入所述混合溶液中，0-4℃条件下反应2-4h，反应完成后将泡沫铜取出，用乙醇和去离子水洗涤3-5次，烘干，得到氢氧化铜-泡沫铜基体；
(3)将步骤(2)得到的改性泡沫铜基体置于800-1000℃下煅烧，得到纳米氧化铜-泡沫铜基体；
(4)将纳米氧化铜-泡沫铜基体置于管式炉中，通入保护性气体和还原性气体，设定升温曲线，以10-20℃/min的升温速率升温至900-1000℃下进行退火处理，保温时间20-40min；所述的还原性气体流量为100-200sccm，所述的保护性气体流量为200-400sccm；
(5)关闭还原性气体，通入碳源气体，所述碳源气体与保护性气体保持一定流量比，进行三维网络石墨烯的沉积，反应40-60min后生长完毕，关闭碳源气体，在保护性气体气氛下，以10-15℃/min的降温速率降温至200-350℃，之后随炉冷却至室温，即得到石墨烯增强金属基泡沫骨架结构复合材料。
优选地，所述的清洗剂为乙醇和丙酮的混合溶液，所述乙醇和丙酮体积比为1:1.2-1.5。
优选地，所述的还原性气体为氢气，所述的保护性气体为氮气或氩气，所述的碳源气体为甲烷。
优选地，所述碳源气体和保护性气体的体积比为1∶(12-30)。
优选地，所述的三维结构石墨烯增强铜基复合材料中，石墨烯的质量百分含量为1.5-6wt％。
本发明的有益效果如下：本发明通过简单的氧化法在泡沫铜基底上原位制备出具有介孔结构的氢氧化铜纳米棒，通过煅烧将氢氧化铜转化为具有纳米结构的氧化铜，提高泡沫铜的比表面积，而且在煅烧过程中铜的少量挥发生成多孔结构，从而使金属氧化物模板具有可控多级孔，作为一种介孔骨架材料为后续的石墨烯化学气相沉积反应提供大量的活性位点，使得生长的石墨烯具备较为完善的三维网络结构，且能够大幅度减少石墨烯之间的片层堆积，有效解决了石墨烯易团聚和使之更好地增强金属基复合材料的强度。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
实施例1
一种石墨烯增强金属基泡沫骨架结构复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将泡沫铜放入清洗剂中超声清洗45min，得到预处理的泡沫铜；
(2)分别配置浓度为5mol/L的氢氧化钠水溶液和0.25mol/L的过硫酸铵水溶液，将二者等体积混合得到混合溶液，将步骤(1)中预处理的泡沫铜浸入所述混合溶液中，0-4℃条件下反应2.5h，反应完成后将泡沫铜取出，用乙醇和去离子水洗涤3次，烘干，得到氢氧化铜-泡沫铜基体；
(3)将步骤(2)得到的改性泡沫铜基体置于850℃下煅烧，得到纳米氧化铜-泡沫铜基体；
(4)将纳米氧化铜-泡沫铜基体置于管式炉中，通入保护性气体和还原性气体，设定升温曲线，以15℃/min的升温速率升温至900℃下进行退火处理，保温时间35min；所述的还原性气体流量为100sccm，所述的保护性气体流量为300sccm；
(5)关闭还原性气体，通入碳源气体，所述碳源气体与保护性气体保持一定流量比，进行三维网络石墨烯的沉积，反应50min后生长完毕，关闭碳源气体，在保护性气体气氛下，以10℃/min的降温速率降温至350℃，之后随炉冷却至室温，即得到石墨烯增强金属基泡沫骨架结构复合材料。
实施例2
一种石墨烯增强金属基泡沫骨架结构复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将泡沫铜放入清洗剂中超声清洗30-60min，得到预处理的泡沫铜；
(2)分别配置浓度为5mol/L的氢氧化钠水溶液和0.25mol/L的过硫酸铵水溶液，将二者等体积混合得到混合溶液，将步骤(1)中预处理的泡沫铜浸入所述混合溶液中，0-4℃条件下反应3h，反应完成后将泡沫铜取出，用乙醇和去离子水洗涤5次，烘干，得到氢氧化铜-泡沫铜基体；
(3)将步骤(2)得到的改性泡沫铜基体置于1000℃下煅烧，得到纳米氧化铜-泡沫铜基体；
(4)将纳米氧化铜-泡沫铜基体置于管式炉中，通入保护性气体和还原性气体，设定升温曲线，以20℃/min的升温速率升温至1000℃下进行退火处理，保温时间40min；所述的还原性气体流量为200sccm，所述的保护性气体流量为400sccm；
(5)关闭还原性气体，通入碳源气体，所述碳源气体与保护性气体保持一定流量比，进行三维网络石墨烯的沉积，反应40min后生长完毕，关闭碳源气体，在保护性气体气氛下，以15℃/min的降温速率降温至200℃，之后随炉冷却至室温，即得到石墨烯增强金属基泡沫骨架结构复合材料。
实施例1-2获得的石墨烯增强金属基泡沫骨架结构复合材料内部结构致密，没有孔洞及裂纹缺陷，经测试，实施例1和2的石墨烯增强金属基泡沫骨架结构复合材料性能测试指标如表1所示：
表1
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 (5)
1.一种石墨烯增强金属基泡沫骨架结构复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将泡沫铜放入清洗剂中超声清洗30-60min，得到预处理的泡沫铜；
(2)分别配置浓度为5mol/L的氢氧化钠水溶液和0.25mol/L的过硫酸铵水溶液，将二者等体积混合得到混合溶液，将步骤(1)中预处理的泡沫铜浸入所述混合溶液中，0-4℃条件下反应2-4h，反应完成后将泡沫铜取出，用乙醇和去离子水洗涤3-5次，烘干，得到氢氧化铜-泡沫铜基体；
(3)将步骤(2)得到的改性泡沫铜基体置于800-1000℃下煅烧，得到纳米氧化铜-泡沫铜基体；
(4)将纳米氧化铜-泡沫铜基体置于管式炉中，通入保护性气体和还原性气体，设定升温曲线，以10-20℃/min的升温速率升温至900-1000℃下进行退火处理，保温时间20-40min；所述的还原性气体流量为100-200sccm，所述的保护性气体流量为200-400sccm；
(5)关闭还原性气体，通入碳源气体，所述碳源气体与保护性气体保持一定流量比，进行三维网络石墨烯的沉积，反应40-60min后生长完毕，关闭碳源气体，在保护性气体气氛下，以10-15℃/min的降温速率降温至200-350℃，之后随炉冷却至室温，即得到石墨烯增强金属基泡沫骨架结构复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强金属基泡沫骨架结构复合材料的制备方法，其特征在于，所述的清洗剂为乙醇和丙酮的混合溶液，所述乙醇和丙酮体积比为1:1.2-1.5。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强金属基泡沫骨架结构复合材料的制备方法，其特征在于，所述的还原性气体为氢气，所述的保护性气体为氮气或氩气，所述的碳源气体为甲烷。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强金属基泡沫骨架结构复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳源气体和保护性气体的体积比为1∶(12-30)。
5.一种如权利要求1所述方法得到的三维结构石墨烯增强铜基复合材料，其特征在于，所述的三维结构石墨烯增强铜基复合材料中，石墨烯的质量百分含量为1.5-6wt％。
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| CN113479947A (zh) * | 2021-06-29 | 2021-10-08 | 清华大学深圳国际研究生院 | 多孔纳米材料表面改性方法、过滤式消毒装置和方法 |
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