CN116237361A - 一种逐层结构石墨烯-金属复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种逐层结构石墨烯-金属复合材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于复合材料制备技术领域，尤其涉及一种逐层结构石墨烯‑金属复合材料及其制备方法与应用，该材料是由石墨烯‑金属结构重复排列、紧密堆积而成的复合材料。将表面洁净的金属箔片按照一定间距精确地安装在金属支架上，通过改变金属支架上支撑单元的加工厚度对金属箔片的安装间距进行调整，从而调整石墨烯的生长厚度，然后通过化学气相沉积法将石墨烯沉积生长在金属箔片上，控制生长时间，直至石墨烯均匀生长并填满金属箔片间空隙，完成石墨烯/金属复合板的制备。随后通过热处理和轧制得到具有逐层结构的石墨烯/金属复合材料。本发明的复合材料，石墨烯分散均匀，界面结合良好，避免了热轧后板材性能不稳定，具有优异的导热性能。

Description

一种逐层结构石墨烯-金属复合材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于复合材料制备技术领域，尤其涉及一种逐层结构石墨烯-金属复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
金属基复合材料是一种以纤维、晶须或颗粒为增强相，与金属或合金基体组成的复合材料。金属基复合材料能够通过添加不同的增强相获得特殊的性能，这种可设计性使得金属基复合材料具有广阔的应用空间。目前，金属基复合材料已广泛应用于航空航天、汽车、电子和军事等领域。2004年，英国曼彻斯特大学首次成功制备出石墨烯薄片，该材料是一种由碳原子以sp2杂化轨道结合只有单原子层厚度的二维材料，石墨烯的这种特殊结构使其表现出非常优异的物理性能和力学性能，如高的比表面积和分子量子隧道效应等。石墨烯也因此作为增强体而广泛应用于金属基复合材料中，用以提升金属材料的综合性能，适应现代工业的发展。
针对当今世界各国对新兴科学技术和工业化生产的发展要求，石墨烯以其优异的性能成为了当下科学界的焦点之一。石墨烯作为目前发现的最薄、最坚硬、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，具有耐高温、热膨胀系数小、导热导电性良好、化学性能稳定、可塑性大等特点。并且与传统金属材料相比，重量比铝轻25％，比铜轻75％；热阻比铝低40％，比铜低20％。目前制备高质量石墨烯的方法主要有胶带剥离法、碳化硅或金属表面外延生长法和化学气相沉积法，前两种方法效率低，不适于大量制备，而迄今由化学法制备的石墨烯一般是由纳米级到微米级尺寸的石墨烯晶畴拼接而成的多晶材料。而石墨烯增强金属基复合材料的制备方法，主要包括熔融冶金法、粉末冶金法、化学合成法和电沉积法。石墨烯中晶界的存在会严重降低其质量和性能，因此大尺寸单晶石墨烯的制备对于石墨烯基本物理性质的研究及其在增强体等方面的应用具有极其重要的意义。
近年来，新型碳质纳米材料包括石墨烯和碳纳米管因具有高导热性、高阻尼性容量、高弹性模量、高机械强度和良好的自润滑性而成为重要的结构和功能新材料的增强体，而对于石墨烯作为增强体的金属基复合材料的研究较少。目前，在石墨烯金属基复合材料研究中主要存在石墨烯在金属基体中分散性差、与基体金属的润湿性差及界面间结合性能差等问题，严重制约了石墨烯金属基复合材料的研究开发与应用。因此对于石墨烯金属复合材料进行界面设计与优化，可以进一步提高复合材料性能。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种逐层结构石墨烯-金属复合材料及其制备方法，所得复合材料石墨烯分散均匀，与金属界面结合良好，尽可能的避免了热轧后板材性能不稳定的问题，具有优异的导热性能。本发明制备方法简单，可设计性强，适合大规模生产。
为实现上述目的，本发明提供了一种新的逐层结构石墨烯-金属复合材料，该材料为由石墨烯-金属结构重复排列并紧密堆积而成的复合材料。
作为本发明的优选，所述金属为金属箔片，所述金属箔片包括但不限于铜或镍或铜镍合金箔片。
本发明还提供了一种逐层结构石墨烯-金属复合材料的制备方法，步骤如下：
(1)将多个尺寸相同的金属箔片在纵向及横向空间上保持一致并上下线对齐，即：多个尺寸相同的金属箔片平行设置且边缘对齐，相邻两层金属箔片之间的距离相等；(2)应用化学气相沉积法将石墨烯沉积生长在金属箔片上，直至相邻金属箔片上的石墨烯对向生长在一起，得到石墨烯-金属复合片基片；(3)坯料的制备：将生长好的金属复合片基片放入金属套，将片材轧制方向上的金属套的前后两端焊合，抽真空；(4)热处理工艺：将抽完真空的坯料放进加热炉中，进行热轧，制得试样。
作为本发明的优选，在步骤(1)之前还包括金属箔片的处理步骤：取尺寸相同的金属箔片，机加工去除表面氧化皮，直至金属箔片表面露出新鲜金属，打磨完毕之后用丙酮和去离子水对金属箔片先后进行超声清洗并吹干，保证金属箔片表面干净，避免混入其他杂质影响石墨烯与金属箔片的结合。通过对金属箔片进行机加工打磨，可以保证石墨烯在金属箔片表面均匀结晶生长。
作为本发明的优选，所述步骤(1)中，将金属箔片安装在金属支架的层状空隙内，通过金属支架将金属箔片放入化学气相沉积设备中；其中，所述金属支架包括金属支架本体，所述金属支架本体上设有多个平行的层状支撑单元，所述支撑单元内有用于插入金属箔片的层状空隙，每个所述支撑单元层状空隙间的厚度相同；进一步优选的，所述金属支架的材料与金属箔片的材料相同。
作为本发明的优选，所述支撑单元内设有平行且尺寸相同的L型层状空隙，所述金属支架设置在金属箔片的四角位置；
进一步优选的，所述金属支架为L型支撑结构；
作为本发明的优选，当金属箔片的厚度为0.005-0.05mm时，支撑单元空隙的厚度为0.001mm-0.2mm。
作为本发明的优选，所述步骤(2)中，石墨烯-金属复合片基片的制备步骤为：把多个金属箔片放入化学气相沉积设备中，通入氢气和氩气保护加热至1000℃左右，稳定温度，根据需要生长石墨烯厚度控制保持时间，优选保持20-400分钟；然后停止通入保护气体，改通入甲烷气体，大约30-600分钟，直至相隔的石墨烯对向生长结合反应完成并填满金属箔片间隙，此时石墨烯厚度范围在0.001mm-0.2mm。切断电源，关闭甲烷气体，再通入保护气体排净甲烷气体，在保护气体的环境体系直至管子冷却到室温，取出金属箔片，得到石墨烯-金属复合片。
优选的，在化学气相沉积设备中，压力为10-3Pa，通入的气体流量为标况下120立方厘米/分钟。
作为本发明的优选，所述步骤(3)中，抽真空的设备为三级真空泵，坯内真空度达到10-2Pa以下时，利用喷火枪对抽气管加热，用液压钳进行挤压密封，重复2-3次。
进一步优选的，密封时，在金属套的最底层和最上层放置一层隔离布，确保热轧后，复合材料和金属套分离，并在密封时留下抽气管。
更进一步优选的，所述金属套为普碳钢金属套，长、宽、高分别为101mm、76mm、3mm；密封盖的长、宽、高分别为101mm、76mm、5mm。
作为本发明的优选，所述步骤(4)中，热处理工艺的加热温度为700-900℃，保温时间为30min，热轧的下压量为石墨烯生长厚度的30-51.5％。
作为本发明的优选，所述金属箔片包括但不限于铜、镍或铜镍合金箔片；进一步优选的，所述金属箔片的尺寸为100mm*75mm，厚度0.005-0.05mm。
本发明还提供了一种逐层结构石墨烯-金属复合材作为高导热材料的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明采用化学气相沉积石墨烯，改善了石墨烯与金属基体的结合界面，使得石墨烯在金属基体上结合更为紧密并且分布更加均匀，并且可以通过改变沉积时间长短来调整石墨烯层的厚度。化学气相沉积可以实现在铜、镍、铜镍合金等金属箔片两侧同时沉积石墨烯层直至隔层相相生长的石墨烯生长成一体。(2)对石墨烯-金属复合片基片采用真空热轧处理后，增强了石墨烯与金属基体的结合界面，使金属与石墨烯结合更强，石墨烯在金属基体上结合更为紧密并且分布更加均匀。
本发明所制备的复合材料石墨烯分散均匀，界面结合良好，同时也尽可能的避免了热轧后板材性能不稳定的问题，具有优异的导热性能，并降低重量。本发明制造工艺均为常规处理手段，实验周期短，实验工艺安全、可靠、整洁，所得产品性能优良，适合大规模生产。
附图说明
图1为单个金属支架的立体图；
图2为单个金属支架的俯视图；
图3为单个金属支架的侧视图；
图4为石墨烯-金属复合片基片结构示意图；
图5为逐层结构石墨烯-金属复合材料传热等温线分布(实施例2)；
图6为逐层结构石墨烯-金属复合材料传热等温线分布(实施例3)；
图7为逐层结构石墨烯-金属复合材料传热等温线分布(实施例4)；
图8为逐层纯金属材料传热等温线分布(对比例-实施例5)。
图中：1、金属支架本体，2、支撑单元，3、金属箔片，4、石墨烯层。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图和实施例对本发明作进一步地详细描述，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的逐层结构石墨烯-金属复合材料，该材料是由石墨烯-金属结构重复排列并紧密堆积而成的复合材料。
其中金属优选金属箔片，进一步优选为铜或镍或铜镍合金箔片，但不限于铜、镍和铜镍合金等金属。
在每个石墨烯-金属结构中，金属箔片的厚度为0.005-0.015mm时，石墨烯层的厚度微厚于所选取的金属箔片厚度，即大于等于所选取的金属箔片厚度，优选与金属箔片厚度接近的厚度。
在石墨烯-金属复合材料的板材料中，金属箔片的数量并无限制，可根据需要进行选择。
本发明中，上述逐层结构的石墨烯-金属复合材料的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)将多个尺寸相同的金属箔片在纵向及横向空间上保持一致并上下线对齐，通过金属箔片之间的距离控制石墨烯生长的厚度；(2)应用化学气相沉积法将石墨烯沉积生长在金属箔片上，直至相邻金属箔片上的石墨烯对向生长在一起，得到石墨烯-金属复合片基片；(3)坯料的制备：将生长好的金属复合片基片放入金属套，将片材轧制方向上的金属套的前后两端焊合，抽真空；(4)热处理工艺：将抽完真空的坯料放进加热炉中，进行热轧，制得试样。
作为本发明的优选，在步骤(1)之前还包括金属箔片的处理步骤：取尺寸相同的金属箔片，机加工去除表面氧化皮，直至金属箔片表面露出新鲜金属，打磨完毕之后用丙酮和去离子水对金属箔片先后进行超声清洗并吹干，保证金属箔片表面干净，避免混入其他杂质影响石墨烯与金属箔片的结合。通过对金属箔片进行机加工打磨，可以保证石墨烯在金属箔片表面均匀结晶生长。
作为本发明的优选，所述步骤(1)中，将金属箔片安装在金属支架的空隙内，通过金属支架控制金属箔片在纵向及横向空间上保持一致的空隙及上下线对齐。该金属支架可以根据生长石墨烯层厚度的需要，加工成不同厚度的空隙。
作为本发明的优选，所述步骤(2)中，石墨烯-金属复合片基片的制备步骤为：把调整好金属箔片间距的多个金属箔片放入化学气相沉积设备中，通入氢气和氩气保护加热至1000℃左右，稳定温度，根据需要生长石墨烯厚度保持20-400分钟；然后停止通入保护气体，改通入甲烷气体，大约30-600分钟，直至相隔的石墨烯对向生长结合反应完成并填满金属箔片间隙，切断电源，关闭甲烷气体，再通入保护气体排净甲烷气体，在保护气体的环境体系直至管子冷却到室温，取出金属箔片，得到石墨烯-金属复合片。石墨烯沉积厚度可以通过沉积时间进行调节。
优选的，在化学气相沉积设备中，压力为10-3Pa，通入的气体流量为标况下120立方厘米/分钟。
优选的，当使用金属支架安装金属箔片时，将金属箔片安装在金属支架结构的空隙内，将带有多个金属箔片的金属支架结构放入化学气相沉积设备中完成石墨烯沉积。
应当说明的是，化学气相沉积技术是本领域业内熟知的技术，不需进行详细说明。
作为本发明的优选，所述步骤(3)中，抽真空的设备为三级真空泵，坯内真空度达到10-2Pa以下时，利用喷火枪对抽气管加热，用液压钳进行挤压密封，重复2-3次。
进一步优选的，密封时，在金属套的最底层和最上层放置一层隔离布，确保热轧后，复合材料和金属套分离，并在密封时留下抽气管。
更进一步优选的，所述金属套为普碳钢金属套，长、宽、高分别为101mm、76mm、3mm；密封盖的长、宽、高分别为101mm、76mm、5mm。
作为本发明的优选，所述步骤(4)中，热处理工艺的加热温度为700-900℃，保温时间为30min，热轧的下压量为石墨烯生长厚度的30-51.5％。
作为本发明的优选，所述金属箔片包括但不限于铜、镍或铜镍合金箔片；进一步优选的，所述金属箔片的尺寸为100mm*75mm，厚度0.005-0.015mm，数量16片。
下面对本发明使用的金属支架结构进行进一步说明。
本发明的金属支架结构为：所述金属支架本体上设有多个平行的层状支撑单元，层状支撑单元内有用于插入金属箔片的空隙，每个支撑单元空隙间的厚度相同。制作时，通过精密机械加工，在金属支架本体上加工出若干个可以插入金属箔片的层状支撑单元，即可插入金属箔片的空隙，且每个支撑单元空隙间的厚度相同。
优选的，金属支架所用材料与金属箔片材料相同。
优选的，金属支架本体的形状可以为框架形或L形。为了适用更多的金属箔片尺寸，金属支架本体的形状更优选为L形。
当层状支撑单元厚度为0.001mm-0.2mm时，支撑单元空隙可以插入厚度0.005-0.05mm的金属箔片，通过金属支架以保持金属箔片之间不会有相应的形变，并保证金属箔片之间可以保持恒定高度的空隙。
金属支架用于本发明的制备方法时，将表面洁净的金属箔片精确地安装在叠片金属支架的空隙内，金属支架放置于金属箔片的四角位置。通过使用金属支架结构，使多个尺寸相同的金属箔片在纵向及横向空间上保持一致并上下线对齐，以调整金属箔片之间的距离，控制石墨烯生长的厚度。
需要说明的是，本发明不对石墨烯层厚度进行限定，石墨烯厚度可根据需要通过沉积时间及两金属薄片之间的距离来决定。
此外，本发明还提供了一种逐层结构石墨烯-金属复合材作为高导热材料的应用。
实施例1
本实施例的金属支架结构如图1-3所示，金属支架包括整体形状为L型的金属支架本体1，在金属支架本体1内通过精密机械加工加工出多个尺寸范围为0.001mm-0.2mm的层状支撑单元2，每个支撑单元2空隙的厚度相同，每两个相邻支撑单元2之间的距离与空隙的厚度相同，这些支撑单元2为平行设置且尺寸相同的L型空隙，可以插入0.005-0.05mm的金属箔片。进一步优选两个直角边长度相等的L型金属支架本体1。
在进行本发明的石墨烯生长时，要求金属支架的材料与金属箔片的材料相同，可以为铜/镍/铜镍合金等。使用时，用两个金属支架固定在逐层金属箔片的对角，或用四个金属支架固定在逐层金属箔片的四角。为了保证各层金属箔片的对齐效果，优选四个金属支架。
加工时，可以根据生长石墨烯层厚度的需要，对金属箔片之间的空隙厚度进行精确控制。
实施例2
本实施例石墨烯-金属复合材料的制备方法包含以下步骤：
(1)制备铜的金属箔片：取尺寸相同的铜金属箔片16片，每个铜金属箔片的尺寸为100mm*75mm，厚度0.015mm；机加工去除金属箔片表面氧化皮，直至箔片表面露出新鲜金属，打磨完毕之后用丙酮和去离子水对金属箔片先后进行超声清洗吹干，保证金属箔片表面干净，避免混入其他杂质影响石墨烯与金属箔片的结合。
(2)将这些金属箔片仔细安装在实施例1的金属支架结构上，即：将逐层金属箔片的四角分别固定在四个金属支架的层状空隙内，控制金属箔片在纵向及横向空间上保持一致的空隙及上下线对齐，金属支架结构采用与生长石墨烯相同的金属材质，本实施例金属支架结构的材料选用铜，以保证在相同的温度变化中，有相同的金属应力，保持金属箔片之间不会有相应的形变，从而达到保证金属箔片之间保持恒定高度的空隙的目的；选取支撑单元之间的距离为0.015mm的金属支架结构，金属箔片之间的空隙厚度为0.015mm，则单片铜箔片的单面上生长石墨烯的厚度为0.0075mm，即相邻两铜箔片间石墨烯厚度为0.015mm。
(3)石墨烯-金属复合片基片的制备：应用化学气相沉积技术将石墨烯沉积在铜箔片上，具体为：把装有基底金属箔片的同种金属支架结构放入化学气相沉积设备中，在低压环境下(10-3Pa)，通入120sccm的氢气和氩气混合气体保护加热至1000℃左右，稳定温度，根据需要生长石墨烯厚度保持90分钟；然后停止通入保护气体，改通入120sccm的甲烷气体，大约60分钟，直至相隔的石墨烯对向生长结合反应完成并填满金属箔片间隙，此时石墨烯的生长厚度为0.015mm，反应完成。切断电源，关闭甲烷气体，再通入120sccm的保护气体排净甲烷气体，在保护气体的环境下直至管子冷却到室温，取出金属箔片，得到石墨烯-金属复合片基片，其结构如图4所示，是由石墨烯层4-金属箔片3-石墨烯层4结构重复排列而成。
(4)坯料的制备：将生长好的金属复合片基片放入尺寸为101mm*76mm*3mm普碳钢金属套，采用氩弧焊将片材轧制方向上的金属套的前后两端焊合，然后使用三级真空泵抽真空，坯内真空度达到10-2Pa以下时，利用喷火枪对抽气管加热，用液压钳和101mm*76mm*5mm的密封盖进行挤压密封，重复2-3次。密封时，在金属套的最底层和最上层放置一层隔离布，确保热轧后，复合材料和金属套分离，并在密封时留下抽气管。
(5)热处理工艺：将抽完真空的坯料放进加热炉中，加热温度为800℃，保温时间为30min，随后立即进行热轧，热轧的下压量为石墨烯生长厚度的50％，制得试样，该材料是由石墨烯层4-金属箔片3结构重复排列并紧密堆积而成的复合材料。
该试样复合金属是由石墨烯-铜箔片结构重复排列并紧密堆积而成的复合材料。在每个石墨烯-铜箔片结构中，石墨烯层4的厚度为0.0075mm，金属箔片3的厚度为0.015mm。
实施例3
本实施例中，石墨烯-金属复合材料的制备使用铜金属箔片，每个铜金属箔片的尺寸为100mm*75mm，厚度0.015mm。金属支架的材料选用铜，选取支撑单元之间的距离为0.15mm的金属支架，金属箔片之间的空隙厚度为0.15mm。
在化学气相沉积设备中，根据需要生长的石墨烯厚度保持120分钟；然后停止通入保护气体，改通入甲烷气体，大约180分钟，直至相隔的石墨烯对向生长结合反应完成并填满金属箔片间隙，此时单片铜箔片的单面上生长石墨烯的厚度为0.075mm，即相邻两铜箔片间石墨烯厚度为0.15mm，反应完成。
本实施例中未涉及的其它步骤与条件同实施例2，制得石墨烯-铜箔片结构重复排列并紧密堆积而成的复合材料。在每个石墨烯-铜箔片结构中，石墨烯层4的厚度为0.075mm，金属箔片3的厚度为0.015mm。
实施例4
本实施例中，石墨烯-金属复合材料的制备使用铜金属箔片，每个铜金属箔片的尺寸为100mm*75mm，厚度0.05mm。金属支架选用铜材料，选取支撑单元之间的距离为0.15mm的金属支架，金属箔片之间的空隙厚度为0.15mm。
在化学气相沉积设备中，根据需要生长石墨烯厚度保持120分钟；然后停止通入保护气体，改通入甲烷气体，大约180分钟，直至相隔的石墨烯对向生长结合反应完成并填满金属箔片间隙，此时单片铜箔片的单面上生长石墨烯的厚度为0.075mm，即相邻两铜箔片间石墨烯厚度为0.15mm，反应完成。
本实施例中未涉及的其它步骤与条件同实施例2，制得石墨烯-铜箔片结构重复排列并紧密堆积而成的复合材料。在每个石墨烯-铜箔片结构中，石墨烯层4的厚度为0.075mm，金属箔片3的厚度为0.05mm。
实施例5
本实施例中，石墨烯-金属复合材料的制备使用镍金属箔片，每个镍金属箔片的尺寸为100mm*75mm，厚度0.005mm。金属支架选用镍材料，选取支撑单元之间的距离为0.015mm的金属支架，金属箔片之间的空隙厚度为0.015mm。
在化学气相沉积设备中，根据需要生长石墨烯厚度保持120分钟；然后停止通入保护气体，改通入甲烷气体，大约60分钟，直至相隔的石墨烯对向生长结合反应完成并填满金属箔片间隙，此时单片镍箔片的单面上生长石墨烯的厚度为0.0075mm，即相邻两镍箔片间石墨烯厚度为0.015mm，反应完成。
本实施例中未涉及的其它步骤与条件同实施例2，制得石墨烯-镍箔片结构重复排列并紧密堆积而成的复合材料。在每个石墨烯-镍箔片结构中，石墨烯层4的厚度为0.0075mm，金属箔片3的厚度为0.005mm。
实施例6
本实施例中，石墨烯-金属复合材料的制备使用铜镍合金金属箔片，每个铜镍金属箔片的尺寸为100mm*75mm，厚度0.05mm。金属支架选用铜镍合金材料，选取支撑单元之间的距离为0.015mm的金属支架，金属箔片之间的空隙厚度为0.015mm。
在化学气相沉积设备中，根据需要生长石墨烯厚度保持120分钟；然后停止通入保护气体，改通入甲烷气体，大约180分钟，直至相隔的石墨烯对向生长结合反应完成并填满金属箔片间隙，此时单片铜镍合金箔片的单面上生长石墨烯的厚度为0.0075mm，即相邻两铜镍合金箔片间石墨烯厚度为0.015mm，反应完成。
本实施例中未涉及的其它步骤与条件同实施例2，制得石墨烯-铜镍合金箔片结构重复排列并紧密堆积而成的复合材料。在每个石墨烯-铜镍合金箔片结构中，石墨烯层4的厚度为0.0075mm，金属箔片3的厚度为0.05mm。
实施例7
本实施例为实施例2的对比例，该实施例的具体步骤如下：
(1)制备铜箔片：取尺寸相同的铜金属箔片，每个铜金属箔片的尺寸为100mm*75mm，厚度0.015mm，数量为31片，机加工去除表面氧化皮，直至箔片表面露出新鲜金属，打磨完毕之后用丙酮和去离子水对金属箔片先后进行超声清洗吹干，保证金属箔片表面干净。
(2)坯料的制备：按金属箔片的数量和尺寸制备普碳钢金属套，普碳钢金属套的尺寸为101mm*76mm*3mm。将金属箔片逐层叠放，采用氩弧焊将片材轧制方向上的前后两端焊合，放入金属套中，然后使用三级真空泵抽真空，坯内真空度达到10-2Pa以下时，利用喷火枪对抽气管加热，用液压钳和101mm*76mm*5mm的密封盖进行挤压密封，重复2-3次。密封时，在金属套的最底层和最上层放置一层隔离布，确保热轧后，复合材料和金属套分离，并在密封时留下抽气管。
(3)热处理工艺：将抽完真空的坯料放进加热炉中，加热温度为800℃。保温时间为30min，随后立即进行热轧，热轧的下压量为多少50％，制得试样。
实施例8
将实施例2-4和实施例7的试样进行边界热源传热效果仿真计算。得到的仿真模型结果如图5-8所示，图5-7为实施例2-4的逐层结构石墨烯-金属复合材料传热等温线分布，图8为实施例7(对比例)逐层纯金属材料传热等温线分布。图5-8中，图中左侧部分从左到右的线条分别对应图中右侧部分从下到上的数据。
从实验数据图可发现，在边界热源的作用下，石墨烯-金属复合材料相比于纯金属材料，整体温差减小了2℃左右，即温度分布更为均匀，且最高温度也降低了1℃左右，如图5和图8所示；在金属层厚保持不变时，石墨烯层厚度增加，如图5和图6，材料的整体温差由1.2℃降低为0.5℃，并且最高温度发生了7℃的大幅度降低；而当石墨烯层厚保持不变，改变金属层厚度时，如图6和图7，材料的整体温差并未发生过大变化，但最高温度降低了2℃；
石墨烯层厚度与金属层厚度比对材料的导热性能会产生影响，石墨烯层厚度增加，材料整体的温度分布会更为均匀，即材料的传热速度加快，导热性能增加，说明逐层结构的石墨烯复合处理能够明显改善金属板材的热性能。另外，根据应用方向与要求的不同，可更换金属箔片的取材。可将本发明的金属复合材料作为作为高导热材料使用，不仅具有优异的导热性能，而且降低了材料重量。
实施例5和实施例6的边界热源传热效果的的仿真模型与实施例2-4的模型基本一致，此处不再描述。
实施例9
利用激光切割将实施例2-7的材料制备成尺寸为半径1.5cm的圆片形样品，利用T3Ster DynTIMTM热界面材料测试仪对试样在常温下的导热系数进行测试，测试结果如表1所示。
表1各材料的热导率测试结果
Figure BDA0003396095920000111
表1中，从实施例2、3、4可知，金属种类与单层金属箔厚度相同时，石墨烯层的厚度越厚，热导率越高；金属种类与单层石墨烯厚度相同时，单层金属箔片的厚度越薄，热导率越高。对比实施例2、5、6与实施例7可知，不同厚度的石墨烯金属比例会对材料的导热性能产生很大的影响，石墨烯与金属的厚度比为1:1时，更换金属种类，对导热系数产生的影响变化不是特别大，但相对于纯金属的导热性能(铜的导热系数为397W/m.k，镍的导热系数为90W/m.K，铜镍合金58.4W/m.K)，复合材料的导热性能依旧十分优异。
以上对本发明的实例进行了详细说明，但内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种逐层结构石墨烯-金属复合材料，其特征在于：该材料是由石墨烯-金属结构重复排列、紧密堆积而成的复合材料。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述金属为金属箔片，所述金属箔片优选为铜或镍或铜镍合金箔片。
3.一种逐层结构石墨烯-金属复合材料的制备方法，其特征在于包括步骤：（1）将多个尺寸相同的金属箔片在纵向及横向空间上保持一致并上下线对齐；（2）应用化学气相沉积法将石墨烯沉积生长在金属箔片上，直至相邻金属箔片上的石墨烯对向生长在一起，得到石墨烯-金属复合片基片；（3）坯料的制备：将生长好的金属复合片基片放入金属套，将片材轧制方向上的金属套的前后两端焊合，抽真空；（4）热处理工艺：将抽完真空的坯料放进加热炉中，进行热轧，制得试样。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：在步骤（1）之前还包括金属箔片的处理步骤：取尺寸相同的金属箔片，机加工去除表面氧化皮，直至金属箔片表面露出新鲜金属，打磨完毕之后用丙酮和去离子水对金属箔片先后进行超声清洗并吹干，保证金属箔片表面干净，避免混入其他杂质影响石墨烯与金属箔片的结合。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，将金属箔片安装在金属支架的层状空隙内，通过金属支架将金属箔片放入化学气相沉积设备中；所述金属支架包括金属支架本体，所述金属支架本体上设有多个平行的层状支撑单元，所述支撑单元内有用于插入金属箔片的层状空隙，每个所述支撑单元层状空隙间的厚度相同；优选的，所述金属支架的材料与金属箔片的材料相同。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述支撑单元内设有平行且尺寸相同的L型层状空隙，所述金属支架设置在金属箔片的四角位置；
优选的，所述金属支架为L型支撑结构；
优选的，当金属箔片的厚度为0.005-0.05mm时，支撑单元空隙的厚度为0.001mm-0.2mm。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）石墨烯-金属复合片基片的制备包括如下步骤：把金属箔片放入化学气相沉积设备中，通入氢气和氩气保护加热至1000℃左右，稳定温度，根据需要生长石墨烯厚度保持20-400分钟；然后停止通入保护气体，改通入甲烷气体，大约30-600分钟，直至相隔的石墨烯对向生长结合反应完成并填满金属箔片间隙，切断电源，关闭甲烷气体，再通入保护气体排净甲烷气体，在保护气体的环境体系直至管子冷却到室温，取出金属箔片，得到石墨烯-金属复合片。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中抽真空的设备为三级真空泵，坯内真空度达到10-2Pa以下时，利用喷火枪对抽气管加热，用液压钳进行挤压密封，重复2-3次；
优选的，密封时，在金属套的最底层和最上层放置一层隔离布，确保热轧后，复合材料和金属套分离，并在密封时留下抽气管。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中，热处理工艺的加热温度为700-900℃，保温时间为30min，热轧的下压量为30-51.5%。
10.根据权利要求1-2任一项所述的石墨烯-金属复合材料作为高导热材料的应用。
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