CN111154994A - 石墨烯铝复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种石墨烯铝复合材料的制备方法，包括以下步骤：将固态碳源、催化剂前驱体和铝粉分散在溶剂中形成分散液，所述固态碳源为分子量小于5万的小分子有机化合物；将所述分散液干燥得到混合物粉体；将所述混合物粉体置于管式炉内，在真空或惰性气体保护下进行还原烧结，还原烧结温度为500℃～600℃，还原气氛为氢气，还原烧结时间为2h～3h；以及将还原烧结后的混合物粉体在980℃～1200℃下进行二次烧结，烧结时间为30nmin～40min，冷却后得到石墨烯铝复合材料。本发明还涉及一种所述的石墨烯铝复合材料的制备方法得到的石墨烯铝复合材料。本发明进一步涉及一种包含所述石墨烯铝复合材料的电缆或电线。

Description

石墨烯铝复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属基复合材料技术领域，特别是涉及一种石墨烯铝复合材料及其制备方法。
背景技术
石墨烯铝复合材料具有高的强度、导电性能、导热性以及耐磨性，是现在材料研究的重点材料。铝质量轻，是一种导电导热性、延展性、阻尼性能都较好而且价格低廉的材料。石墨烯铝复合材料同时具有石墨烯增强后铝基体的高强度力学性能，同时也不会降低铝基体自身的导电性能，目前为止，大多数研究集中在外加法制备石墨烯增强铝基复合材料上，通过机械球磨、分子水平混合、熔炼铸造等工艺成型，但是传统的制备石墨烯铝复合材料的方法却存在两个较大的难题，其一是石墨烯无法有效均匀分散，其二是石墨烯与铝基体的界面结合性能较差
因此，如何解决石墨烯在基体中的均匀分散且结构完整成为当前制备石墨烯铝复合材料亟待解决的问题。
发明内容
基于此，有必要提供一种石墨烯铝复合材料及其制备方法和包含其的电缆或电线，实现石墨烯在基体中的均匀分散。
本发明提供一种石墨烯铝复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将固态碳源、催化剂前驱体和铝粉分散在溶剂中形成分散液，所述固态碳源为分子量小于5万的小分子有机化合物；
将所述分散液干燥得到混合物粉体；
将所述混合物粉体置于管式炉内，在真空或惰性气体保护下进行还原烧结，还原烧结温度为500℃～600℃，还原气氛为氢气，还原烧结时间为2h～3h；以及
将还原烧结后的混合物粉体在980℃～1200℃下进行二次烧结，烧结时间为30nmin～40min，冷却后得到石墨烯铝复合材料。
在其中一个实施例中，所述固态碳源为含有长链碳的有机物碳源。
在其中一个实施例中，所述固态碳源包括葡萄糖、蔗糖、果糖中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述催化剂前驱体包括镍盐、铁盐、钴盐以及铜盐中的一种或多种，优选为氯化镍、氯化铁、氯化钴以及氯化铜中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述溶剂为能溶解所述固态碳源和所述催化剂前驱体的物质。
在其中一个实施例中，所述还原烧结步骤中氢气的气体流量为100sccm～200sccm。
在其中一个实施例中，所述铝粉与所述固态碳源的质量比为1：(0.2～0.5)。
在其中一个实施例中，所述固态碳源和所述催化剂前驱体的质量比为1：(1～2)。
在其中一个实施例中，所述将还原烧结后的混合物粉体在980℃～1200℃下进行二次烧结的步骤，还包括，通入气体流量为100sccm～200sccm的氢气。
本发明还提供一种由所述的石墨烯铝复合材料的制备方法得到的石墨烯铝复合材料。
本发明进一步提供一种包含所述石墨烯铝复合材料的电缆或电线。
本发明提供的石墨烯铝复合材料的制备方法，先将固态碳源和催化剂前驱体均匀的分散在铝粉表面，再经过两次烧结使铝粉表面原位生长石墨烯，同时在二次烧结时铝粉由固态变成液态，实现石墨烯和铝的复合。本发明石墨烯铝复合材料的制备方法制备的石墨烯铝复合材料，石墨烯能均匀分散在铝基体中，且原位生长的石墨烯质量更高。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
本发明实施例提供一种石墨烯铝复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S10，将固态碳源、催化剂前驱体和铝粉分散在溶剂中形成分散液，所述固态碳源为分子量小于5万的小分子有机化合物；
S20，将所述分散液干燥得到混合物粉体；
S30，将所述混合物粉体置于管式炉内，在真空或惰性气体保护下进行还原烧结，还原烧结温度为500℃～600℃，还原气氛为氢气，还原烧结时间为2h～3h；以及
S40，将还原烧结后的混合物粉体在980℃～1200℃下进行二次烧结，烧结时间为30nmin～40min，冷却后得到石墨烯铝复合材料。
本发明实施例提供的石墨烯铝复合材料的制备方法，先将固态碳源和催化剂前驱体均匀的分散在铝粉表面，再经过两次烧结使铝粉表面原位生长石墨烯，同时在二次烧结时铝粉由固态变成液态，实现石墨烯和铝的复合。本发明石墨烯铝复合材料的制备方法制备的石墨烯铝复合材料，石墨烯能均匀分散在铝基体中，且原位生长的石墨烯质量更高。
步骤S10中，固态碳源可以为含有长链碳的有机物碳源，所述碳链中碳的个数为6～20该固态碳源易溶解，且在溶剂中变为由碳原子连接的分子链，在分散过程中这些分子链缠绕在铝粉表面，实现均匀分散。在一实施例中，固态碳源包括葡萄糖、蔗糖、果糖中的一种或多种。
催化剂前驱体可以为任意具有催化性能的金属离子盐。优选的，该金属离子盐中的金属元素活泼性弱于铝，不会与铝发生置换反应。在其中一个实施例中，催化剂前驱体包括镍盐、铁盐、钴盐以及铜盐中的一种或多种。催化剂前驱体中的金属离子吸附在铝粉表面在步骤S30还原烧结时被氢气还原为具有催化性能的金属原子。优选的，催化剂前驱体为氯化镍、氯化铁、氯化钴以及氯化铜中的一种或多种，氯离子在步骤S40二次烧结时可被高温氧化为氯气挥发，使得最终得到的石墨烯铝复合材料中几乎不含有杂质元素。
在一实施例中，铝粉的粒径可以为20微米～30微米。该粒径范围更有利于固态碳源在铝粉表面的缠绕和均匀分布。
溶剂可以为使上述固态碳源和上述催化剂前驱体溶解的物质。例如可以是水或无水乙醇、甲醇、丙醇等有机溶剂，与可以是水和无水乙醇、甲醇、丙醇等有机溶剂的混合溶剂在一实施例中，溶剂为75％酒精。在一优选实施例中，溶剂为水。溶剂的加入量为使固态碳源和催化剂前驱体溶解并使铝粉均匀分散。
为了使固态碳源和催化剂前驱体更好的溶解在溶剂中，进一步加强石墨烯在铝中的均匀分散，步骤S10中固态碳源、催化剂前驱体和铝粉在溶剂中分散的步骤可以为磁力搅拌，还可以为超声振荡和/或加热。
铝粉与固态碳源的质量比可以为1：(0.2～0.5)，还可以选择1:0.25、1:0.3、1:0.35、1:0.4、1:0.45。
固态碳源和催化剂前驱体的质量比可以为1：(1～2)，还可以选择1:1.2、1:4、1:1.6、1:1.8。
步骤S20中，将上述分散液干燥的温度可以为40℃～60℃，干燥时间可以为24h～48h。
步骤S30中，混合物粉体中固态碳源在还原烧结过程中被碳化为无定型碳，催化剂前驱体被氢气还原为催化剂。
固态碳源为葡萄糖、蔗糖、果糖中的一种或多种时，固态碳源在步骤S30更易被碳化。
惰性气体可以为氮气或氩气。
步骤S40中，步骤S30被碳化为无定型碳的固态碳源在催化剂和980℃～1200℃高温下发生重组，原子间结合向sp2杂化方向转变，原位生长石墨烯。同时铝粉在980℃～1200℃高温下由固态变为液态，液态铝在冷却过程中进一步固结石墨烯，得到石墨烯铝复合材料。
催化剂前驱体为氯化镍、氯化铁、氯化钴以及氯化铜中的一种或多种时，在步骤S40中，氯离子被高温氧化为氯气挥发。
为了进一步提高原位生成的石墨烯的质量，步骤S40还包括，通入气体流量为100sccm～200sccm的氢气，将未生成高质量石墨烯的无定型碳刻蚀掉。
本发明实施例还提供一种由上述石墨烯铝复合材料的制备方法得到的石墨烯铝复合材料。
在一实施例中，石墨烯在该石墨烯铝复合材料中的含量为0.08wt％～0.2wt％。
本发明实施例进一步提供一种包含上述石墨烯铝复合材料的电缆或电线。
以下为具体实施例：
实施例1
(1)称取0.25g葡萄糖、0.5g氯化镍、100g铝粉，将其分别加入蒸馏水中进行磁力搅拌，转速为200rpm，时间为3h，形成分散液。
(2)将步骤(1)中分散液在60℃下干燥24小时，得到混合物粉体。
(3)将干燥后的混合物粉体放入管式炉内，炉内抽真空，然后升温至550℃，同时通入100sccm的氢气，保温2h，葡萄糖被碳化为无定型碳，氯化镍被还原为镍。
(4)再次升温至1000℃，保温30min，在该过程中同时通入100sccm的氢气，保温结束后，降至室温，得到石墨烯铝复合材料。
实施例2
与实施例1基本相同，不同之处在于，氯化镍为0.25g。
实施例3
与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤(4)升温至1200℃。
实施例4
与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤(4)升温至980℃。
对比例1
与实施例1基本相同，不同之处在于，取消葡萄糖的添加。
对比例2
与实施例1基本相同，不同之处在于，取消氯化镍的添加。
对比例3
与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤(4)中温度为700℃。
对比例4
与实施例1基本相同，不同之处在于，将葡萄糖替换为淀粉。
测试例
将实施例1～5以及对比例1～4制得的石墨烯铝复合材料进行抗拉强度测试和导电性测试。导电性测试方法为将材料表面进行机械抛光后，用涡流式电导率仪进行测试，抗拉强度测试为材料线切割为拉伸区间为18mm的“狗骨头”形状，进行表面抛光后，用万能实验拉伸机进行拉力测试，拉伸速率为0.5mm/min，测试结果如表1所示：
表1
导电率/％IACS 抗拉强度/MPa
实施例1 60.05 95.40
实施例2 59.63 89.53
实施例3 59.95 95.20
实施例4 60.02 95.00
对比例1 56.16 76.51
对比例2 53.01 55.67
对比例3 23.45 10.67
对比例4 55.94 64.20
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种石墨烯铝复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将固态碳源、催化剂前驱体和铝粉分散在溶剂中形成分散液，所述固态碳源为分子量小于5万的小分子有机化合物；
将所述分散液干燥得到混合物粉体；
将所述混合物粉体置于管式炉内，在真空或惰性气体保护下进行还原烧结，还原烧结温度为500℃～600℃，还原气氛为氢气，还原烧结时间为2h～3h；以及
将还原烧结后的混合物粉体在980℃～1200℃下进行二次烧结，烧结时间为30nmin～40min，冷却后得到石墨烯铝复合材料。
2.根据权利要求1所述的石墨烯铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述固态碳源为含有长链碳的有机物碳源。
3.根据权利要求1所述的石墨烯铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述固态碳源包括葡萄糖、蔗糖、果糖中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的石墨烯铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述催化剂前驱体包括镍盐、铁盐、钴盐以及铜盐中的一种或多种，优选为氯化镍、氯化铁、氯化钴以及氯化铜中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的石墨烯铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述溶剂为能溶解所述固态碳源和所述催化剂前驱体的物质。
6.根据权利要求1所述的石墨烯铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述还原烧结步骤中氢气的气体流量为100sccm～200sccm。
7.根据权利要求1所述的石墨烯铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述铝粉与所述固态碳源的质量比为1：(0.2～0.5)。
8.根据权利要求1所述的石墨烯铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述固态碳源和所述催化剂前驱体的质量比为1：(1～2)。
9.根据权利要求1所述的石墨烯铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述将还原烧结后的混合物粉体在980℃～1200℃下进行二次烧结的步骤，还包括，通入气体流量为100sccm～200sccm的氢气。
10.一种由权利要求1～9任一项所述的石墨烯铝复合材料的制备方法得到的石墨烯铝复合材料。
11.包含权利要求10所述石墨烯铝复合材料的电缆或电线。
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