CN116682596A - 石墨烯-金属复合导体及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种石墨烯‑金属复合导体及其制备方法和应用，所述复合导体包括：金属基体，所述金属基体具有相对的第一表面和第二表面、贯穿所述金属基体第一表面和第二表面的若干通孔；石墨烯传导件，所述石墨烯传导件包括石墨烯传导层、间隔设置在石墨烯传导层上的若干石墨烯传导管，所述石墨烯传导层与所述金属基体的第一表面连接，所述石墨烯传导管一端与所述石墨烯传导层连接，另一端远离所述石墨烯传导层，所述石墨烯传导管置于所述金属基体的通孔内，并沿所述通孔的深度方向延伸。本申请所述的石墨烯‑金属复合导体中的所有石墨烯相互连接行形成一个整体，从而使所述石墨烯‑金属复合导体具有较高的导电性等性能。
Description
技术领域
本申请涉及导体材料技术领域，尤其涉及一种石墨烯-金属复合导体及其制备方法和应用。
背景技术
金属导体因具有较好的导电性、导热性、延展性等性能，而被广泛应用于电力、交通运输、工业装备及电子信息等领域。但是，近年来，随着能源与环境问题日益严峻以及高新技术的发展，对金属导体的导电性、导热性、稳定性等性能提出了更高的要求。
石墨烯是一种二维晶体材料，具有高导电、高导热、高强度、高柔韧度、化学惰性强、气体阻隔性能强等诸多优点，使得石墨烯在诸多方面具有很大的应用前景。将石墨烯掺杂在金属导体中可以有效提升金属导体的导电性、导热性、强度、韧性和稳定性等性能。
然而，现有的石墨烯-金属复合导体的主要制备方法为石墨烯与金属粉体混合压制或者石墨烯沉积铜箔压制，两者均采用CVD气相沉积法在金属粉体或铜箔的表面生成石墨烯。虽然应用 CVD 气相沉积法制备石墨烯已经可以实现大面积的制备，但是该方法制备的石墨烯的单个晶粒通常较小，而较小晶粒中会产生较多晶界，晶界会严重的弱化石墨烯的机械、电学和热学等性能，此外，晶粒较小的石墨烯在压制过程中易被无序化分布，甚至部分石墨烯会发生团聚，导致石墨烯-金属复合导体的导电性等性能较低。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种石墨烯-金属复合导体，旨在改善现有的石墨烯-金属复合导体导电性差的问题。
本申请实施例是这样实现的，一种石墨烯-金属复合导体，包括：
金属基体，所述金属基体具有相对的第一表面和第二表面、贯穿所述金属基体第一表面和第二表面的通孔；
石墨烯传导件，所述石墨烯传导件包括石墨烯传导层、间隔设置在石墨烯传导层上的若干石墨烯传导管，所述石墨烯传导层与所述金属基体的第一表面连接，所述石墨烯传导管一端与所述石墨烯传导层连接，另一端远离所述石墨烯传导层，所述石墨烯传导管置于所述金属基体的通孔内，并沿所述通孔的深度方向延伸；
至少一个石墨烯导体，所述至少一个石墨烯导体嵌设在所述金属基体中，每一石墨烯导体包括一石墨烯层、设置在所述石墨烯层上的至少一石墨烯管，每一石墨烯导体中，石墨烯管一端与石墨烯层连接，另一端远离石墨烯层。
可选的，所述金属基体的材料包括金属单质或合金，所述金属单质包括铜、银、镍中的任意一种，所述合金包括金属与非金属形成的合金和两种以上的金属单质形成的合金中的一种或多种，所述金属与非金属形成的合金包括铜与非金属形成的合金、银与非金属形成的合金、镍铬合金，所述两种以上的金属单质形成的合金包括铜、银、铁、镍、铝、钨中的两种或两种以上组成的合金。
可选的，所述石墨烯传导层的厚度为3~5层石墨烯；和/或
所述石墨烯传导管的管壁的厚度为3~5层石墨烯；和/或
所述通孔的孔径为0.001~10 mm；和/或
相邻的石墨烯传导管之间的距离至少为50 um；和/或
所述石墨烯传导管的外径为0.001~10 mm。
可选的，所述通孔的数量大于等于1，所述石墨烯传导管的数量大于等于1。
可选的，每一石墨烯传导管容置在一通孔内；和/或
所述石墨烯传导层上设置有至少一孔，每一石墨烯传导管的传导管道与石墨烯传导层上的一孔相通。
可选的，每一石墨烯传导管中填充有导电金属。
可选的，所述导电金属的材料包括金属单质或合金，所述金属单质包括铜、银、镍中的任意一种，所述合金包括金属与非金属形成的合金和两种以上的金属单质形成的合金中的一种或多种，所述金属与非金属形成的合金包括铜与非金属形成的合金、银与非金属形成的合金、镍铬合金，所述两种以上的金属单质形成的合金包括铜、银、铁、镍、铝、钨中两种或两种以上组成的合金。
可选的，所述石墨烯-金属复合导体还包括结合于所述石墨烯传导层的远离所述基体的表面的金属层。
可选的，所述金属层的材料包括金属单质或合金，所述金属单质包括铜、银、镍中的任意一种，所述合金包括金属与非金属形成的合金和两种以上的金属单质形成的合金中的一种或多种，所述金属与非金属形成的合金包括铜与非金属形成的合金、银与非金属形成的合金、镍铬合金，所述两种以上的金属单质形成的合金包括铜、银、铁、镍、铝、钨中两种或两种以上组成的合金。
可选的，每一石墨烯导体中的石墨烯管位于该石墨烯导体的石墨烯层的靠近所述第二表面的表面。
可选的，所述至少一个石墨烯导体包括第1石墨烯导体、第2石墨烯导体、······、第n石墨烯导体，所述第1石墨烯导体的石墨烯层、所述第2石墨烯导体的石墨烯层、······、所述第n石墨烯导体的石墨烯层在沿着所述第一表面向着所述第二表面的方向上依次间隔嵌设在所述金属基体中。
可选的，每一石墨烯导体的石墨烯层与位于该石墨烯层与第一表面之间的石墨烯层所在的石墨烯导体中的石墨烯管均连接；和/或
任意两个石墨烯导体中，靠近所述第一表面的石墨烯导体中的石墨烯管的数量等于或小于靠近所述第二表面的石墨烯导体中的石墨烯管的数量。
可选的，所述第1石墨烯导体的石墨烯层、第2石墨烯导体的石墨烯层、······、所述第n石墨烯导体的石墨烯层均与所述石墨烯传导件的石墨烯传导管相连接。
可选的，所述第1石墨烯导体的石墨烯管的长度>第2石墨烯导体的石墨烯管的长度>······>第n石墨烯导体的石墨烯管的长度。
可选的，每一石墨烯层的厚度各自独立为3~5层石墨烯；和/或
每一石墨烯管的管壁的厚度各自独立为3~5层石墨烯；和/或
每一石墨烯管的外径各自独立为0.001~10 mm，或者，每一石墨烯管的外径各自独立为0.025~0.1 mm；和/或
相邻的石墨烯管之间的距离至少为50 um；和/或
相邻的石墨烯传导管与石墨烯管之间的距离至少为50 um。
可选的，相邻的石墨烯层之间的间距为0.5~100 μm；和/或
与所述石墨烯传导层相邻的石墨烯层与所述石墨烯传导层之间的间距为0.5~100μm。
可选的，所述石墨烯传导管的外表面贴合在所述通孔的孔壁上。
相应的，本申请实施例还提供一种石墨烯-金属复合导体，包括：
金属基体，所述金属基体具有相对的第一表面和第二表面、以及贯穿所述金属基体的第一表面和第二表面的至少一通孔；
石墨烯传导件，所述石墨烯传导件包括间隔嵌设在所述金属基体中的至少一石墨烯传导管，每一石墨烯传导管容置在一通孔中；
至少一个石墨烯导体，嵌设在所述金属基体中，每一石墨烯导体包括一石墨烯层、设置在所述石墨烯层上的至少一石墨烯管，每一石墨烯导体中，石墨烯管一端设置在石墨烯层上，另一端远离石墨烯层；
其中，每一石墨烯导体的石墨烯层与所述石墨烯传导管均相互连接。
相应的，本申请实施例还提供一种石墨烯-金属复合导体的制备方法，包括如下步骤：
A、提供模具，所述模具的底部设置有若干充气孔；
B、向所述模具中注入金属液，所述金属液为液态金属，在所述金属液中形成至少一通气孔，降低通气孔的孔壁温度，使通气孔的孔壁上的液态金属凝固形成固态金属；
C、向所述模具中通入含氧的第二惰性气体，使裸露的金属至少部分被氧化；
D、停止通入含氧的第二惰性气体，通过所述充气孔藉由所述通气孔向所述模具中通入碳源前驱体气体，在裸露的金属和/或金属氧化物生长石墨烯；
E、冷却，得到石墨烯-金属复合导体。
可选的，所述步骤E之前还包括重复步骤B至步骤D共N次，其中，N为大于等于1的整数，每次重复步骤B时所形成的通气孔的位置与之前形成的通气孔的位置均不同。
可选的，每次重复步骤B之前包括向模具中通入惰性气体，以去除模具内的碳源前驱体气体。
可选的，每次重复步骤B时所形成的所有通气孔与之前形成的通气孔之间的间距至少为50 um。
可选的，每次向所述模具中注入的金属液相同或不同；和/或
每次向所述模具中注入的金属液的深度为0.5~100 μm。
可选的，所述步骤E中冷却之前还包括：向模具中注入第二金属液，使第二金属液填充在裸露的通气孔中；或者
所述步骤E中冷却之前还包括：向模具中注入第二金属液，使第二金属液填充在通气孔中并覆盖金属液上方的石墨烯。
可选的，所述第二金属液中的金属包括金属单质或合金，所述金属单质包括铜、银、镍中的任意一种，所述合金包括金属与非金属形成的合金和两种以上的金属单质形成的合金中的一种或多种，所述金属与非金属形成的合金包括铜与非金属形成的合金、银与非金属形成的合金、镍铬合金，所述两种以上的金属单质形成的合金包括铜、银、铁、镍、铝、钨中两种或两种以上组成的合金；和/或
所述第二金属液的温度为1100~1500℃。
可选的，所述模具包括顶盖，所述顶盖上设置有若干排气孔，所述模具底部的充气孔与顶盖上的排气孔正相对，在最后一次重复步骤B时，新注入的金属液将所述模具充满。
可选的，所述在所述金属液中形成至少一通气孔，降低通气孔的孔壁温度包括：
将温度低于金属液温度的第一惰性气体经由充气孔注入至金属液中，形成气泡，所述气泡向上移动最终溢出至金属液的外部并破裂，在金属液中形成通气孔，并使通气孔的孔壁上的液态金属固化形成固态金属。
可选的，所述将温度低于金属液温度的第一惰性气体经由充气孔注入至金属液中包括：提供曝气器和第一惰性气体，将曝气器的曝气孔与模具的底部的至少部分充气孔连接，开启曝气器，经由充气孔向金属液中注入由第一惰性气体形成的气泡。
可选的，所述通气孔的直径为0.025~0.1 mm。
可选的，所述在所述金属液中形成至少一通气孔，降低通气孔的孔壁温度包括：
向所述金属液中植入间隔的至少一管体，使每一管体与模具底部的一充气孔相通，将温度低于金属液温度的第一惰性气体通过充气孔经由管体充入模具中，使管体周围的液态金属固化形成固态金属，然后取出管体。
可选的，所述管体为石墨管；和/或
所述管体的外径为0.001~10 mm。
可选的，所述第一惰性气体的流量为1000~3000 sccm；和/或
所述第一惰性气体的温度为500~800℃；和/或
所述第一惰性气体选自氮气、氦气、氩气、氙气中的一种或多种。
可选的，所述第二惰性气体选自氮气、氦气、氩气、氙气中的一种或多种；和/或
所述含氧的第二惰性气体中，氧气在第二惰性气体中的体积占比为0.001~0.1%；和/或
所述含氧的第二惰性气体的通入时间为5~20s；和/或
所述含氧的第二惰性气体的温度为1000~1300℃。
可选的，在向所述通气孔中通入含氧的第二惰性气体之前还包括：
向所述模具中通入温度高于金属液中金属的熔点的第三惰性气体，使步骤B中的固态金属表面的金属熔化形成液态金属。
可选的，所述第三惰性气体的流量为1500~3500 sccm；和/或
所述第三惰性气体的温度为1200~1500℃；和/或
所述第三惰性气体选自氮气、氦气、氩气、氙气中的一种或多种。
可选的，所述碳源前驱体气体包括甲烷、天然气、乙炔、丙烷中的一种或多种；和/或
所述碳源前驱体气体的温度为1000~1060℃；和/或
所述碳源前驱体气体的流量为5~50 sccm；和/或
所述金属液中的金属包括金属单质或合金，所述金属单质包括铜、银、镍中的任意一种，所述合金包括金属与非金属形成的合金和两种以上的金属单质形成的合金中的一种或多种，所述金属与非金属形成的合金包括铜与非金属形成的合金、银与非金属形成的合金、镍铬合金，所述两种以上的金属单质形成的合金包括铜、银、铁、镍、铝、钨中两种或两种以上组成的合金；和/或
所述金属液的温度为1100~1500℃。
可选的，在通入碳源前驱体气体的同时还通入有还原性气体和第四惰性气体。
可选的，所述还原性气体包括氢气；和/或
所述第四惰性气体包括氮气、氦气、氩气、氙气中的一种或多种；和/或
所述还原性气体的流量为10~500 sccm；和/或
所述第四惰性气体的流量为0~1000sccm。
相应的，本申请实施例还提供一种上述石墨烯-金属复合导体作为电线电缆或电接触头的应用。
本申请所述的石墨烯-金属复合导体包括金属基体和石墨烯传导件，石墨烯传导件的至少石墨烯传导管容置在金属基体的通孔内，如此，使得石墨烯-金属复合导体中的所有石墨烯相互连接行形成一个整体，从而使所述石墨烯-金属复合导体具有较高的韧性、稳定性、导电性和导热性等性能。
当所述石墨烯-金属复合导体的金属基体中嵌设有石墨烯导体时，所有石墨烯导体以及所述石墨烯传导件相互连接在一起，形成规律层叠的网状结构，可以使所述石墨烯-金属复合导体具有较好的韧性、稳定性、电学性能和热学性能等性能。
附图说明
图1是本申请实施例提供的一种石墨烯-金属复合导体的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的另一种石墨烯-金属复合导体的结构示意图；
图3是本申请实施例提供的又一种石墨烯-金属复合导体的结构示意图；
图4是本申请实施例提供的又一种石墨烯-金属复合导体的结构示意图；
图5是本申请实施例提供的又一种石墨烯-金属复合导体的结构示意图；
图6是本申请实施例还提供一种石墨烯-金属复合导体的制备方法流程图；
图7是步骤B中在金属液中形成通气孔的示意图；
图8是步骤D中在裸露的金属和/或金属氧化物的表面制备石墨烯的示意图；
图9是重复步骤B至步骤D第N次，得到石墨烯-金属复合导体的示意图。
附图标记：
石墨烯-金属复合导体100；金属基体10；第一表面11；第二表面12；通孔111；石墨烯传导件20；石墨烯传导层21；孔211；石墨烯传导管22；导电金属30；金属层40；石墨烯导体H；第1石墨烯导体H1；第2石墨烯导体H2；第n石墨烯导体Hn；石墨烯层1；石墨烯管2；石墨孔3；通气孔102；模具200；充气孔201；顶盖202；排气孔2021；曝气器300曝气孔301。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。此外，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本申请，并不用于限制本申请。
在本申请中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上”和“下”通常是指装置实际使用或工作状态下的上和下，具体为附图中的图面方向；而“内”和“外”则是针对装置的轮廓而言的。另外，在本申请的描述中，术语“包括”是指“包括但不限于”。用语第一、第二、第三等仅仅作为标示使用，并没有强加数字要求或建立顺序。
在本申请中，“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。
在本申请中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“至少一种”、“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项（个）或复数项（个）的任意组合。例如，“ a,b,或c中的至少一项（个）”，或，“a,b,和c中的至少一项（个）”，均可以表示：a, b, c, a-b（即a和b）, a-c, b-c, 或a-b-c，其中a,b,c分别可以是单个，也可以是多个。
本申请的各种实施例可以以一个范围的形式存在；应当理解，以一范围形式的描述仅仅是因为方便及简洁，不应理解为对本申请范围的硬性限制；因此，应当认为所述的范围描述已经具体公开所有可能的子范围以及该范围内的单一数值。例如，应当认为从1到6的范围描述已经具体公开子范围，例如从1到3，从1到4，从1到5，从2到4，从2到6，从3到6等，以及所述范围内的单一数字，例如1、2、3、4、5及6，此不管范围为何皆适用。另外，每当在本文中指出数值范围，是指包括所指范围内的任何引用的数字(分数或整数)。
本申请的技术方案如下：
第一方面，请参阅图1，本申请实施例提供一种石墨烯-金属复合导体100，包括金属基体10和石墨烯传导件20。
所述金属基体10具有相对的第一表面11和第二表面12、贯穿所述金属基体10的第一表面11和第二表面12的通孔111。
所述石墨烯传导件20包括石墨烯传导层21、间隔设置在石墨烯传导层21上的石墨烯传导管22，所述石墨烯传导层21与所述金属基体10的第一表面11连接，所述石墨烯传导管22一端与所述石墨烯传导层21连接，另一端远离所述石墨烯传导层21。
所述石墨烯传导管22置于所述金属基体10的通孔111内，并沿所述通孔111的深度方向延伸。可以理解，本申请所述的通孔111的深度方向是指由第一表面11指向第二表面12的方向。
所述通孔111的数量大于等于1，所述石墨烯传导管22的数量大于等于1。每一石墨烯传导管22容置在一通孔111内。
所述石墨烯传导层21上具有至少一孔211，每一石墨烯传导管22的管道与石墨烯传导层21上的一孔211相通。换言之，每一石墨烯传导管22由所述孔211的孔壁延伸形成。
所述石墨烯传导层21结合在所述金属基体10的第一表面11上，每一石墨烯传导管22容置在一通孔111内，且石墨烯传导管22的外表面贴合在通孔111的孔壁上。
所述金属基体10的材料包括金属单质或合金，所述金属单质包括铜、银、镍中的任意一种，所述合金包括金属与非金属形成的合金和两种以上的金属单质形成的合金中的一种或多种，所述金属与非金属形成的合金包括铜与非金属形成的合金、银与非金属形成的合金、镍铬合金，所述两种以上的金属单质形成的合金包括铜、银、铁、镍、铝、钨中两种或两种以上组成的合金。
所述石墨烯传导层21的厚度为3~5层石墨烯，例如，3层、4层、5层等。在所述厚度范围内，可以使石墨烯传导层21中的石墨烯具有较好的连续性，从而使石墨烯传导层21具有较高的韧性、导电性和导热性等性能。
所述石墨烯传导管22的管壁的厚度为3~5层石墨烯，例如，3层、4层、5层等。在所述厚度范围内，可以使石墨烯传导管22中的石墨烯具有较好的连续性，从而使石墨烯传导管22具有较高的韧性、稳定性、导电性和导热性等性能。
在一些实施例中，相邻的石墨烯传导管22之间的距离至少为50 um。
在一些实施例中，所述通孔111的孔径为0.001~10 mm，换言之，所述石墨烯传导管22的外径为0.001~10 mm，例如，0.001 mm、0.005 mm、0.006 mm、0.008 mm、0.01 mm、0.05mm、0.08 mm、0.1 mm、1 mm、1.2 mm、1.5 mm、1.8 mm、2 mm、2.2 mm、2.5 mm、2.8 mm、3 mm、3.2 mm、3.5 mm、3.8 mm、4 mm、4.3 mm、4.5 mm、4.6 mm、4.8 mm、5 mm、5.2 mm、5.4 mm、5.5mm、5.6 mm、5.8 mm、6 mm、6.2 mm、6.4 mm、6.5 mm、6.6 mm、6.8 mm、7 mm、7.2 mm、7.3 mm、7.5 mm、7.6 mm、7.8 mm、8 mm、8.2 mm、8.4 mm、8.5 mm、8.6 mm、8.8 mm、9 mm、9.2 mm、9.4mm、9.5 mm、9.8 mm、10 mm等。在所述石墨烯传导管22的外径范围内，可以使所述石墨烯传导管22具有较高的韧性、导电性和导热性等性能，进而使所述石墨烯-金属复合导体100具有较高的韧性、稳定性、导电性和导热性等性能。
在另一些实施例中，所述通孔的孔径为0.025~0.1 mm，换言之，所述石墨烯传导管22的外径为0.025~0.1 mm，例如，0.025 mm、0.055 mm、0.085 mm、0.095 mm、0.1 mm等。在所述石墨烯传导管22的外径范围内，可以使所述石墨烯传导管22具有较高的韧性、导电性和导热性等性能，进而使所述石墨烯-金属复合导体100具有较高的韧性、稳定性、导电性和导热性等性能。
请参阅图2，在一些实施例中，每一石墨烯传导管22中还可以填充有导电金属30。
所述导电金属30的材料包括上文所述的金属单质或上文所述的合金。可以理解，所述导电金属30的材料可以与所述金属基体10的材料相同或不同。所述导电金属30可以支撑所述石墨烯传导管22，增强石墨烯-金属复合导体100的强度、稳定性、导电性和导热性等性能。
请参阅图3，在一些实施例中，所述石墨烯-金属复合导体100还可以包括设置在石墨烯传导层21的远离所述金属基体10的表面的金属层40，此时，所述石墨烯-金属复合导体100的最优导电、导热方向为与第一表面11和第二表面12相垂直的相对的两面。
所述金属层40的材料包括上文所述的金属单质或上文所述的合金。可以理解，所述金属层40的材料可以与所述金属基体10的材料相同或不同。
请参阅图4~图5，在一些实施例中，所述石墨烯-金属复合导体100还包括嵌设在所述金属基体10中的至少一个石墨烯导体H。
所述至少一个石墨烯导体H分别为第1石墨烯导体H1、第2石墨烯导体H2、······、以及第n石墨烯导体Hn，其中，n为大于等于1的任意整数。
每一石墨烯导体H包括一石墨烯层1、设置在所述石墨烯层1上的至少一石墨烯管2。每一石墨烯导体H中，石墨烯管2的一端与石墨烯层1连接，另一端远离石墨烯层1。
所述至少一个石墨烯导体H的石墨烯层1在沿着所述第一表面11向着所述第二表面12的方向上依次间隔嵌设在所述金属基体10中，换言之，所述第1石墨烯导体H1的石墨烯层1、所述第2石墨烯导体H2的石墨烯层1、······、所述第n石墨烯导体Hn的石墨烯层1在沿着所述第一表面11向着所述第二表面12的方向上依次间隔嵌设在所述金属基体10中。
每一石墨烯导体H的石墨烯管2位于所述石墨烯层1的靠近所述第二表面12的表面。
在一些实施例中，相邻的石墨烯层1之间的间距为0.5~100 μm，例如0.5μm、1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm、5μm、5.5μm、6μm、6.5μm、7μm、7.5μm、8μm、8.5μm、9μm、9.5μm、10μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm、90μm、95μm、100μm等。
在一些实施例中，与所述石墨烯传导层21相邻的石墨烯层1与所述石墨烯传导层21之间的间距为0.5~100 μm，例如0.5μm、1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm、5μm、5.5μm、6μm、6.5μm、7μm、7.5μm、8μm、8.5μm、9μm、9.5μm、10μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm、90μm、95μm、100μm等。
所述至少一个石墨烯导体H中的石墨烯管2的长度，在由第一表面11至第二表面12的方向上逐渐减小，换言之，第1石墨烯导体H1的石墨烯管2的长度>第2石墨烯导体H2的石墨烯管2的长度>···>第n石墨烯导体Hn的石墨烯管2的长度。
每一石墨烯导体H中，石墨烯层1上具有若干石墨孔3，每一石墨烯管2的管道与石墨烯层1上的一石墨孔3相通。换言之，每一石墨烯管2由所述石墨孔3的孔壁延伸形成。
所述至少一个石墨烯导体H的石墨烯层1均与所述石墨烯传导件20的石墨烯传导管22相连接，换言之，所述第1石墨烯导体H1的石墨烯层1、第2石墨烯导体H2的石墨烯层1、······、所述第n石墨烯导体Hn的石墨烯层1均与所述石墨烯传导件20的石墨烯传导管22相连接。
所述第n石墨烯导体Hn的石墨烯层1与第n-1石墨烯导体Hn-1的石墨烯管2的管壁、······、第1石墨烯导体H1的石墨烯管2的管壁均连接在一起，所述第n-1石墨烯导体Hn-1的石墨烯层1与第n-2石墨烯导体Hn-2的石墨烯管2的管壁、······、第1石墨烯导体H1的石墨烯管2的管壁均连接在一起，依次类推，所述第2石墨烯导体H2的石墨烯层1与第1石墨烯导体H1的石墨烯管2的管壁连接在一起。换言之，每一石墨烯导体H的石墨烯层1与位于其与第一表面11之间的石墨烯层1所在的石墨烯导体H中的石墨烯管2均连接。再换言之，每一石墨烯层1所在的石墨烯导体H的石墨烯管2与位于该石墨烯层1与第二表面12之间的所有石墨烯层1均连接。
如此，所述石墨烯-金属复合导体100的所有石墨烯导体H均相互连接在一起，形成规律层叠的网状结构，可以使所述石墨烯-金属复合导体100具有较好的韧性、电学性能和热学性能等性能。
在一些实施例中，任意两个石墨烯导体H中，靠近所述第一表面11的石墨烯导体H中的石墨烯管2的数量等于或小于靠近所述第二表面12的石墨烯导体H中的石墨烯管2的数量。
可以理解，每一石墨烯导体H中的至少一石墨烯管2可以有规律的设置在石墨烯层1上，也可以无规律的设置在石墨烯层1上。在至少一实施例中，所述石墨烯-金属复合导体100中，所有的石墨烯层1之间的层间距相同，每一石墨烯导体H中的至少一石墨烯管2以一定的规律设置在石墨烯层1上，且所有石墨烯管2之间的间距相同，如此，可以使所述石墨烯-金属复合导体100具有较好的韧性、稳定性、电学性能和热学性能等性能。
所述至少一石墨烯导体H的石墨烯层1的厚度各自独立为3~5层石墨烯，例如，3层、4层、5层等。在所述厚度范围内，可以使石墨烯层1中的石墨烯具有较好的连续性，从而使石墨烯层1具有较高的韧性、稳定性、导电性和导热性等性能。
所述至少一石墨烯导体H的石墨烯管2的管壁的厚度各自独立为3~5层石墨烯，例如，3层、4层、5层等。在所述厚度范围内，可以使石墨烯管2中的石墨烯具有较好的连续性，从而使石墨烯管2具有较高的韧性、稳定性、导电性和导热性等性能。
在一些实施例中，所述至少一石墨烯导体H的石墨烯管2的外径各自独立为0.001~10 mm，例如，0.001 mm、0.005 mm、0.006 mm、0.008 mm、0.01 mm、0.05 mm、0.08 mm、0.1mm、1 mm、1.2 mm、1.5 mm、1.8 mm、2 mm、2.2 mm、2.5 mm、2.8 mm、3 mm、3.2 mm、3.5 mm、3.8mm、4 mm、4.3 mm、4.5 mm、4.6 mm、4.8 mm、5 mm、5.2 mm、5.4 mm、5.5 mm、5.6 mm、5.8 mm、6mm、6.2 mm、6.4 mm、6.5 mm、6.6 mm、6.8 mm、7 mm、7.2 mm、7.3 mm、7.5 mm、7.6 mm、7.8mm、8 mm、8.2 mm、8.4 mm、8.5 mm、8.6 mm、8.8 mm、9 mm、9.2 mm、9.4 mm、9.5 mm、9.8 mm、10 mm等。在所述石墨烯管2的外径范围内，可以使所述石墨烯管2具有较高的韧性、稳定性、导电性和导热性等性能，进而使所述石墨烯-金属复合导体100具有较高的韧性、稳定性、导电性和导热性等性能。
在另一些实施例中，所述至少一石墨烯导体H的石墨烯管2的外径各自独为0.025~0.1 mm，例如，0.025 mm、0.055 mm、0.085 mm、0.095 mm、0.1 mm等。在所述石墨烯管2的外径范围内，可以使所述石墨烯管2具有较高的韧性、稳定性、导电性和导热性等性能，进而使所述石墨烯-金属复合导体100具有较高的韧性、稳定性、导电性和导热性等性能。
在一些实施例中，相邻的石墨烯管2之间的距离至少为50 um。
在一些实施例中，相邻的石墨烯传导管22与石墨烯管2之间的距离至少为50 um
请参阅图5，在一些实施例中，当所述石墨烯-金属复合导体100还包括嵌设在所述金属基体10中的n个石墨烯导体H时，所述石墨烯传导件20可以不包括石墨烯传导层21而仅包括嵌设在金属基体10中的若干石墨烯传导管22，所述若干石墨烯传导管22通过所述至少一个石墨烯导体H的石墨烯层1相互连接在一起。换言之，每一石墨烯导体H的石墨烯层1与所述若干石墨烯传导管22均连接在一起。
可以理解，当所述石墨烯-金属复合导体100还包括嵌设在所述金属基体10中的n个石墨烯导体H时，所述石墨烯-金属复合导体100的通孔111中也可以填充有上文所述的导电金属30。
可以理解，当所述石墨烯-金属复合导体100还包括嵌设在所述金属基体10中的n个石墨烯导体H时，石墨烯-金属复合导体100还可以包括设置在石墨烯传导层21的远离所述金属基体10的表面的金属层40，
第二方面，请结合参阅图6至图8，本申请实施例还提供一种石墨烯-金属复合导体的制备方法，包括如下步骤：
A、提供模具200，所述模具200的底部设置有若干充气孔201；
B、向所述模具200中注入金属液，在所述金属液中形成至少一通气孔102，并降低通气孔102的温度，使通气孔102的孔壁上的液态金属凝固形成固态金属；
C、向所述模具200中通入含氧的第二惰性气体，使裸露的金属被氧化，使裸露的金属至少部分被氧化；
D、停止通入含氧的第二惰性气体，通过充气孔201藉由通气孔102向所述模具200中通入碳源前驱体气体，在裸露的金属和/或金属氧化物的表面生长石墨烯；
E、冷却，使液态的金属凝固，得到石墨烯-金属复合导体100。
可以理解，本申请所述的金属液为熔融态的金属，即固态金属融化后形成的液态金属。
可以理解，本申请所述的裸露金属包括藉由通气孔的孔壁裸露的金属、以及位于金属液的上表面的裸露的金属。
本申请所述的石墨烯-金属复合导体的制备方法，通过在金属液中行形成通气孔，在使孔壁上的液态金属和金属液表面的液态金属固化形成固态金属，再使固态金属表面的金属至少部分被氧化形成金属氧化物，再在固态金属的表面通过气相沉积生长石墨烯，冷却后得到石墨烯金属复合导体100，如此，一方面，通过在固态金属的表面形成金属氧化物，引入氧离子，氧离子可以在石墨烯生长过程中起到抑制石墨烯形核和加速碳原子迁移的作用，有利于石墨烯的晶格变大，形成大尺寸的石墨烯，并有利于形成的石墨烯分布均匀有序；另一方面，所述制备方法可以使制备得到的石墨烯-金属复合导体100中的所有石墨烯相互连接形成一个整体，可以实现石墨烯-金属复合导体100中的石墨烯之间的直接热和/电的传导，相较于现有技术中的铜-石墨烯-铜之间的热/电传导，本申请的石墨烯-金属复合导体100具有更好的导电性、导热性，还具有更好的稳定性、韧性等性能。
所述石墨烯-金属复合导体100包括上文所述的金属基体10和上文所述的石墨烯传导件20。所述金属基体10与所述石墨烯传导件20的连接关系参上文所述，在此不再赘述。
在一些实施例中，请参阅图9，所述步骤E之前还包括：重复步骤B至步骤D共N次，其中，N为大于等于1的整数。如此，制备得到的石墨烯-金属复合导体100包括所述金属基体10和所述石墨烯传导件20，还包括嵌设在所述金属基体10中的至少一个石墨烯导体H，所述至少一个石墨烯导体H分别为第1石墨烯导体H1、第2石墨烯导体H2、······、以及第n石墨烯导体Hn，其中，n为正整数。
需要说明的是，在重复步骤B时，新注入的金属液体的引入会将热量传递给固态金属，使固态金属转化为软态固态金属，即半固态金属，或者熔化为液态金属，如此，可以便于在重复步骤B时形成通气孔102。
每次重复步骤B之前，需要先向模具200中通入惰性气体，以去除模具200内的碳源前驱体气体。
所述惰性气体可以选自但不限于氮气、氦气、氩气、氙气中的一种或多种。每次重复步骤B时，通入的惰性气体可以相同或不同。
可以理解的，每次重复步骤B时，新形成的通气孔102的位置与之前形成的通气孔102的位置均不同，即新形成的通气孔102与之前形成的通气孔102不重合也不相交。
在至少一实施例中，新形成的所有通气孔102与之前形成的通气孔102之间的间距至少为50 um。
所述金属液中的金属包括但不限于上文所述的金属单质或上文所述的合金。可以理解，每次向所述模具200中注入的金属液中的金属可以相同也可以不同。
在一些实施例中，所述步骤E中冷却之前还包括：向模具200中注入第二金属液，使第二金属液填充在裸露的通气孔102中。如此，在冷却后，可以形成填充在石墨烯管的导电金属30。
在一些实施例中，所述步骤E中冷却之前还包括：向模具200中注入第二金属液，使第二金属液填充在裸露的通气孔102中并覆盖金属液上方的裸露的石墨烯。如此，在冷却后，可以形成填充在石墨烯管的导电金属30和覆盖石墨烯传导层21的金属层40。
所述第二金属液中的金属包括上文所述的金属单质或上文所述的合金。可以理解，所述第二金属液中的金属可以与所述第一金属液中的金属相同或不同。
所述第二金属液的温度高于对应的金属的熔点。在一些实施例中，所述第二金属液的温度为1100~1500℃。
在一些实施例中，所述模具200包括顶盖202，顶盖202上设置有若干排气孔2021，模具200底部的充气孔201与顶盖202上的排气孔2021正相对，在最后一次重复步骤B时，新注入的金属液直接将模具200充满。如此，形成的石墨烯传导件20仅包括嵌设在金属基体10中的若干石墨烯传导管22，而不包括石墨烯传导层21。
所述步骤B中：
所述金属液的温度高于对应的金属的熔点。在一些实施例中，所述金属液的温度为1100~1500℃。
在一些实施例中，所述在所述金属液中形成若干通气孔102，并降低通气孔102的孔壁温度包括：将温度低于金属液温度的第一惰性气体经由充气孔201注入至金属液中，形成气泡，所述气泡在金属液的浮力和初始速度的作用下向上移动，最终溢出金属液，到达金属液的上部，在金属液中形成通气孔102，且温度低于金属液温度的气泡可以使通气孔102的孔壁上的液态金属固化而形成固态金属。
在一些实施例中，将温度低于金属液温度的第一惰性气体经由充气孔201注入至金属液中包括：提供曝气器300和第一惰性气体，将曝气器300的曝气孔301与模具200的底部的至少部分充气孔201连接，开启曝气器300，经由充气孔201向金属液中注入由第一惰性气体形成的气泡。
在另一些实施例中，所述在所述金属液中形成至少一通气孔102，并降低通气孔102的孔壁温度包括：向所述金属液中植入间隔的若干管体，并使每一管体的管道与模具200底部的一充气孔201相通，将温度低于金属液温度的第一惰性气体通过充气孔201经由管体充入模具200中，使管体周围的液态金属固化形成固态金属，然后取出管体。
在一些实施例中，所述第一惰性气体的温度可以为500~800℃，例如，500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃等。如此，有利于形成通气孔102，并有利于在通气孔102的孔壁上和金属液的上表面形成固态金属。此外，还可以保证金属液内部的金属为液态，以便于后续注入新的金属液后形成通气孔102。
在一些实施例中，将温度低于金属液温度的第一惰性气体经由充气孔201注入至金属液中以及将温度低于金属液温度的第一惰性气体通过充气孔201经由管体充入模具200中可以分别采用先通入温度高的第一惰性气体，再通入温度低的第一惰性气体，换言之，将温度低于金属液温度的第一惰性气体经由充气孔201注入至金属液中时，所注入的第一惰性气体的温度由高温至低温逐渐变化。如此，既有利于形成通气孔102，又有利于在通气孔102的孔壁上形成固态金属。
在一些实施例中，温度高的第一惰性气体与温度低的第一惰性气体的温差可以为100~200℃，例如，100℃、120℃、150℃、160℃、180℃、200℃等。
在一些实施例中，当采用曝气器300形成通气孔102时，通气孔102的直径为0.025~0.1 mm。
在一些实施例中，所述曝气器300上的曝气孔301的数量为40~60个。
在一些实施例中，每次向所述模具200中注入的金属液的深度为0.5~100 μm，例如0.5μm、1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm、5μm、5.5μm、6μm、6.5μm、7μm、7.5μm、8μm、8.5μm、9μm、9.5μm、10μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm、90μm、95μm、100μm等。如此，有利于使形成的石墨烯-金属复合导体100具有较高的韧性、稳定性、导电性和导热性等性能。需要说明的是，所述金属液的深度指的是位于在石墨烯层1上表面的金属液的深度，而不包括流入至通孔中的金属液的深度。
由于气泡在液体中上升时，随着所承受的外部压力逐渐较小，气泡直径会逐渐增大，导致通气孔102顶盖上的直径明显大于底部的直径，在一些实施例中，在第N次重复步骤B时，所述模具200内的金属（液态金属+固态金属）的总深度为50~1000 μm，如此，可以使形成的每一通气孔102的顶盖202上的直径与底部的直径差值较小，从而是使得每一通气孔102的孔径具有更好的上下一致性。进而使得制备得到的石墨烯-金属复合导体100中的石墨烯管2具有更好的一致性，进而有利于使形成的石墨烯-金属复合导体100具有较高的韧性、稳定性、导电性和导热性等性能。
可以理解，每次重复步骤B时通入的第一惰性气体可以相同也可以不同。
在一些实施例中，每次重复步骤B时在通入温度低于金属液的第一惰性气体之前还包括：通过曝气器300向模具200中注入温度高于金属液中的金属的熔点的惰性气体，如此，温度较高的第一惰性气体可以将之前形成的固态/半固态金属熔化，有利于快速有效的形成通气孔102。
在至少一些实施例中，温度高于金属液中的金属的熔点的惰性气体的温度可以为1300~1800℃，例如，1300℃、1350℃、1400℃、1450℃、1500℃、1550℃、1600℃、1650℃、1700℃、1750℃、1800℃等。
所述管体可以为石墨管等热传导能力较强的管体。
在一些实施例中，所述管体外径为0.001~10 mm。
在一些实施例中，所述第一惰性气体的流量为1000~3000 sccm，例如，1000 sccm、1200 sccm、1500 sccm、1600 sccm、1800 sccm、2000 sccm、2200 sccm、2500 sccm、2800sccm、3000 sccm等。
在一些实施例中，所述固态金属的厚度为5~100 um。
所述第一惰性气体可以选自但不限于氮气、氦气、氩气、氙气中的一种或多种。
所述步骤C中：
所述第二惰性气体可以选自但不限于氮气、氦气、氩气、氙气中的一种或多种。
所述氧气在第二惰性气体中的体积占比为0.001~0.1%，例如0.001%、0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%、0.06%、0.07%、0.08%、0.09%、0.1%等。
在一些实施例中，所述含氧的第二惰性气体的通入时间为5~20 s。在所述温度范围内，有利于对裸露的金属进行适量的氧化，有利于使制备得到的石墨烯-金属复合导体100具有较优的导电性。
在一些实施例中，所述含氧的第二惰性气体的温度为1000~1300℃，例如1000℃、1200℃、1400℃、1500℃、1600℃、1800℃、2000℃、2200℃、2500℃、2600、2800℃、3000℃等，在所述温度范围内，有利于快速有效地对金属进行氧化。
在一些实施例中，在向模具200中通入含氧的第二惰性气体之前包括：向模具200中通入温度高于金属液中金属的熔点的第三惰性气体，使步骤B中的固态金属表面的金属熔化形成液态金属。如此，在金属为液态的情况下沉积生长石墨烯，有利于使生长得到的石墨烯具有较大的晶格，并且有利于石墨烯均匀连续分布。
在一些实施例中，所述第三惰性气体的温度为1200~1500℃，例如，1200℃、1250℃、1300℃、1350℃、1400℃、1450℃、1500℃等。如此，有利于快速有效地使固态金属表面的金属熔化形成液态金属。
在一些实施例中，所述第三惰性气体的流量为1500~3500 sccm，例如，1500 sccm、1600 sccm、1800 sccm、2000 sccm、2200 sccm、2400 sccm、2500 sccm、2600 sccm、2800sccm、3000 sccm、3200 sccm、3400 sccm、3500 sccm等。如此，有利于快速有效地使固态金属表面的金属熔化形成液态金属。
所述第三惰性气体可以选自但不限于氮气、氦气、氩气、氙气中的一种或多种。
所述步骤D中：
所述碳源前驱体气体包括甲烷、天然气、乙炔、丙烷等已知用于气相沉积制备石墨烯的气体中的一种或多种。
所述碳源前驱体气体的温度为1000~1060℃，例如，1000℃、1010℃、1020℃、1030℃、1040℃、1050℃、1060℃等。
所述碳源前驱体气体的流量为5~50 sccm。
在一些实施例中，在通入碳源前驱体气体的同时还通入有还原性气体和第四惰性气体。
所述还原性气体可以为已知用于通过气相沉积法制备石墨烯的还原性气体，例如，可以包括但不限于氢气。
在一些实施例中，所述还原性气体的流量为10~500 sccm。
所述第四惰性气体可以包括但不限于氮气、氦气、氩气、氙气中的一种或多种。
在一些实施例中，所述第四惰性气体的流量为0~1000 sccm。可以理解，所述第四惰性气体的流量为0时，表示未通入第四惰性气体。
所述制备方法中，所述模具200具有顶盖202，如此，一方面，由充气孔201进入模具200内的第一惰性气体可以经由通气孔102进入模具200的上部与金属液的上表面接触，在第一惰性气体将模具200充满后，可以通过排气孔2021排出至模具200的外部；另一方面，向模具200中冲入含氧气体或者碳源前驱体气体时，可以使含氧气体或者碳源前驱体气体可以与位于上表面的液态金属或固态金属相接触而发生相应的反应，得到石墨烯层1或者石墨烯传导层21。
作为示例，在至少一具体的实施例中，石墨烯-金属复合导体的制备方法包括：
提供模具200，所述模具200的底部设置有若干充气孔201，所述模具200的顶部设置有若干排气孔2021；
向所述模具200中注入金属液，将曝气器300的曝气孔301与部分充气孔201相连接，通过曝气器向模具200中注入温度低于金属液的第一惰性气体，第一惰性气体进入金属液后形成气泡，气泡在金属液的浮力作用下上升，从而在所述金属液中形成至少一通气孔102，在低温气泡的作用下，通气孔102的孔壁上的金属液凝固形成固态金属，气泡离开金属液后破裂，第一惰性气体与金属液的上表面接触并降低金属液的上表面的温度，使金属液上表面的液态金属凝固形成固态金属；
向通气孔102中通入温度高于金属液中金属的熔点的第三惰性气体，使固态金属表面的金属熔化形成液态金属，接着，通过充气孔201藉由通气孔102向模具200中通入含氧的第二惰性气体，对固态金属进行表面氧化处理，使固态金属表面的金属至少部分被氧化形成金属氧化物；
通过充气孔201藉由通气孔102向所述模具200中通入碳源前驱体气体，在固态金属的表面生长石墨烯，得到包括第1石墨烯层1和与第1石墨烯层1相连接的若干第1石墨烯管2，形成第1石墨烯导体H1；
通过充气孔201藉由通气孔102向所述模具200中通入惰性气体，以排出模具200内的碳源前驱体气体，然后，更换曝气器300的曝气孔301与模具200底部的连接位置，使曝气孔301与之前未连接过的充气孔201相连接；
再次向所述模具200中注入温度高于金属液中的金属的熔点的金属液，在新注入的金属液的高温作用下，之前形成的固态金属会转化为液态金属或半固态金属，通过曝气器向模具200中注入温度高于金属液中的金属的熔点的惰性气体，使之前形成的固态/半固态金属熔化，然后通过曝气器向模具200中注入温度低于金属液的第一惰性气体，第一惰性气体进入金属液后形成气泡，气泡在金属液的浮力作用下上升，从而在所述金属液中形成若干通气孔102，在低温气泡的作用下，通气孔102的孔壁上的金属液凝固形成固态金属，气泡离开金属液后破裂，第一惰性气体与金属液的上表面接触并降低金属液的上表面的温度，使金属液上表面的液态金属凝固形成固态金属；
向通气孔102中通入温度高于金属液中金属的熔点的第三惰性气体，使固态金属表面的金属熔化形成液态金属，接着，通过充气孔201藉由通气孔102向模具200中通入含氧的第二惰性气体，对固态金属进行表面氧化处理，使固态金属表面的金属至少部分被氧化形成金属氧化物；
通过充气孔201藉由通气孔102向所述模具200中通入碳源前驱体气体，在固态金属的表面生长石墨烯，得到包括石墨烯传导层21和与石墨烯传导层21相连接且间隔的若干石墨烯传导管22，形成石墨烯传导件20；
冷却，得到石墨烯-金属复合导体100。
第三方面，本申请实施例还提供一种石墨烯-金属复合导体100的应用，可以用于任意需要导电和/或导热的装置中，例如，电线电缆、电接触头等导体。
下面通过具体实施例来对本申请进行具体说明，以下实施例仅是本申请的部分实施例，不是对本申请的限定。
实施例1
A、提供模具200，所述模具200的底部设置有若干充气孔201，所述模具200的顶部设置有若干排气孔2021；
B、将铜融化加热至1300℃后，将得到的铜液注入至温度为1000℃的模具200中，其中，铜液在模具中的深度为10μm，将曝气器的曝气孔与部分充气孔201相连接，通过曝气器向模具200中通入温度为500~800℃的第一惰性气体氮气，通入的第一惰性气体的温度由高温逐渐降为低温，温度差范围为100℃，第一惰性气体的通气量为2000 sccm，第一惰性气体进入铜液后形成直径为0.025~0.1 mm的气泡，气泡在铜液的浮力作用下上升，从而在所述铜液中形成至少一通气孔102，在低温气泡的作用下，通气孔102的孔壁上的铜液凝固形成固态铜，该固态铜的壁厚为50~80 um，气泡离开铜液后破裂，第一惰性气体与铜液的上表面接触并降低铜液的上表面的温度，使铜液上表面的液态铜凝固形成固态铜；
C、向通气孔102中通入温度为1350℃的的第三惰性气体氩气，通气量为2500sccm，使固态铜表面的铜熔化形成液态铜，接着，通过充气孔201藉由通气孔102向模具200中通入温度为1200℃的含氧的第二惰性气体氩气，其中，氧气的提及占比为0.05%，通入时间为15 s，对固态铜进行表面氧化处理，使固态铜表面的铜至少部分被氧化形成氧化铜；
D、停止通入含氧的第二惰性气体，通过充气孔201藉由通气孔102向所述模具200中通入温度为1030℃的甲烷，甲烷的流量为30 sccm，使用的保护气体为氩气，保护气体的流量为500 sccm，使用的还原气体为氢气，还原气体的流量为250 sccm，在固态铜的表面生长石墨烯；
通过充气孔201藉由通气孔102向所述模具200中通入惰性气体，以排出模具200内的甲烷，然后，更换曝气器的曝气孔与模具200底部的连接位置，使曝气孔与之前未连接过的充气孔201相连接；
重复步骤B至D共2次，冷却，得到石墨烯-金属复合导体100。
本实施例的石墨烯-金属复合导体100为石墨烯-铜复合导体，包括金属基体10和石墨烯传导件20，还包括嵌入在金属基体10中的第1石墨烯导体H1、第2石墨烯导体H2。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，区别在于，本实施例中，不重复步骤B和D，直接冷却，得到石墨烯-金属复合导体100。
本实施例的石墨烯-金属复合导体100为石墨烯-铜复合导体，包括金属基体10和石墨烯传导件20。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，区别在于，本实施例中，重复步骤B和D共4次。
本实施例的石墨烯-金属复合导体100为石墨烯-铜复合导体，包括金属基体10和石墨烯传导件20，还包括嵌入在金属基体10中的第1石墨烯导体H1、第2石墨烯导体H2、第3石墨烯导体H3、第4石墨烯导体H4。
对实施例1~3的石墨烯-金属复合导体100的导电率IACS和机械性能进行测试，测试结果参表一。
表一：
由表一可知：
实施例1~3的石墨烯-金属复合导体100的导电率在117.8%以上，相较于铜的导电率100%具有明显的提升，可见，本申请的石墨烯-金属复合导体100具有较优的导电性能；
实施例1~3的石墨烯-金属复合导体100的抗拉强度在245Mpa以上，可见，本申请的石墨烯-金属复合导体100可以具有较优的抗拉强度；
实施例1~3的石墨烯-金属复合导体100的维氏硬度在55.5以上，可见，本申请的石墨烯-金属复合导体100具有较强的硬度。
综上，本申请的石墨烯-金属复合导体100具有较优的导电性和机械性能。
以上对本申请实施例所提供的石墨烯-金属复合导体及其制备方法和应用进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
Claims (39)
1.一种石墨烯-金属复合导体，其特征在于，包括：
金属基体，所述金属基体具有相对的第一表面和第二表面、贯穿所述金属基体第一表面和第二表面的通孔；
石墨烯传导件，所述石墨烯传导件包括石墨烯传导层、石墨烯传导管，所述石墨烯传导层与所述金属基体的第一表面连接，所述石墨烯传导管一端与所述石墨烯传导层连接，另一端远离所述石墨烯传导层，所述石墨烯传导管置于所述金属基体的通孔内，并沿所述通孔的深度方向延伸；
至少一个石墨烯导体，所述至少一个石墨烯导体嵌设在所述金属基体中，每一石墨烯导体包括一石墨烯层、设置在所述石墨烯层上的至少一石墨烯管，每一石墨烯导体中，石墨烯管一端与石墨烯层连接，另一端远离石墨烯层。
2.如权利要求1所述的石墨烯-金属复合导体，其特征在于，
所述金属基体的材料包括金属单质或合金，所述金属单质包括铜、银、镍中的任意一种，所述合金包括金属与非金属形成的合金或两种以上的金属单质形成的合金中的一种或多种，所述金属与非金属形成的合金包括铜与非金属形成的合金、银与非金属形成的合金、镍铬合金，所述两种以上的金属单质形成的合金包括铜、银、铁、镍、铝、钨中的两种或两种以上组成的合金。
3.如权利要求1所述的石墨烯-金属复合导体，其特征在于，
所述石墨烯传导层的厚度为3~5层石墨烯；和/或
所述石墨烯传导管的管壁的厚度为3~5层石墨烯；和/或
所述通孔的孔径为0.001~10 mm；和/或
相邻的石墨烯传导管之间的距离至少为50 um；和/或
所述石墨烯传导管的外径为0.001~10 mm。
4.如权利要求1所述的石墨烯-金属复合导体，其特征在于，所述通孔的数量大于等于1，所述石墨烯传导管的数量大于等于1。
5.如权利要求4所述的石墨烯-金属复合导体，其特征在于，
每一石墨烯传导管容置在一通孔内；和/或
所述石墨烯传导层上设置有至少一孔，每一石墨烯传导管的传导管道与石墨烯传导层上的一孔相通。
6.如权利要求4所述的石墨烯-金属复合导体，其特征在于，每一石墨烯传导管中填充有导电金属。
7.如权利要求6所述的石墨烯-金属复合导体，其特征在于，所述导电金属的材料包括金属单质或合金，所述金属单质包括铜、银、镍中的任意一种，所述合金包括金属与非金属形成的合金和两种以上的金属单质形成的合金中的一种或多种，所述金属与非金属形成的合金包括铜与非金属形成的合金、银与非金属形成的合金、镍铬合金，所述两种以上的金属单质形成的合金包括铜、银、铁、镍、铝、钨中两种或两种以上组成的合金。
8.如权利要求1所述的石墨烯-金属复合导体，其特征在于，所述石墨烯-金属复合导体还包括结合于所述石墨烯传导层的远离所述基体的表面的金属层。
9.如权利要求7所述的石墨烯-金属复合导体，其特征在于，所述金属层的材料包括金属单质或合金，所述金属单质包括铜、银、镍中的任意一种，所述合金包括金属与非金属形成的合金和两种以上的金属单质形成的合金中的一种或多种，所述金属与非金属形成的合金包括铜与非金属形成的合金、银与非金属形成的合金、镍铬合金，所述两种以上的金属单质形成的合金包括铜、银、铁、镍、铝、钨中两种或两种以上组成的合金。
10.如权利要求1所述的石墨烯-金属复合导体，其特征在于，每一石墨烯导体中的石墨烯管位于该石墨烯导体的石墨烯层的靠近所述第二表面的表面。
11.如权利要求1所述的石墨烯-金属复合导体，其特征在于，所述至少一个石墨烯导体包括第1石墨烯导体、第2石墨烯导体、······、第n石墨烯导体，所述第1石墨烯导体的石墨烯层、所述第2石墨烯导体的石墨烯层、······、所述第n石墨烯导体的石墨烯层在沿着所述第一表面向着所述第二表面的方向上依次间隔嵌设在所述金属基体中。
12.如权利要求11所述的石墨烯-金属复合导体，其特征在于，
每一石墨烯导体的石墨烯层与位于该石墨烯层与第一表面之间的石墨烯层所在的石墨烯导体中的石墨烯管均连接；和/或
任意两个石墨烯导体中，靠近所述第一表面的石墨烯导体中的石墨烯管的数量等于或小于靠近所述第二表面的石墨烯导体中的石墨烯管的数量。
13.如权利要求11所述的石墨烯-金属复合导体，其特征在于，所述第1石墨烯导体的石墨烯层、第2石墨烯导体的石墨烯层、······、所述第n石墨烯导体的石墨烯层均与所述石墨烯传导件的石墨烯传导管相连接。
14.如权利要求11所述的石墨烯-金属复合导体，其特征在于，所述第1石墨烯导体的石墨烯管的长度>第2石墨烯导体的石墨烯管的长度>······>第n石墨烯导体的石墨烯管的长度。
15.如权利要求1所述的石墨烯-金属复合导体，其特征在于，
每一石墨烯层的厚度各自独立为3~5层石墨烯；和/或
每一石墨烯管的管壁的厚度各自独立为3~5层石墨烯；和/或
每一石墨烯管的外径各自独立为0.001~10 mm；和/或
相邻的石墨烯管之间的距离至少为50 um；和/或
相邻的石墨烯传导管与石墨烯管之间的距离至少为50 um。
16.如权利要求1所述的石墨烯-金属复合导体，其特征在于，
相邻的石墨烯层之间的间距为0.5~100 μm；和/或
与所述石墨烯传导层相邻的石墨烯层与所述石墨烯传导层之间的间距为0.5~100 μm。
17.如权利要求1所述的石墨烯-金属复合导体，其特征在于，所述石墨烯传导管的外表面贴合在所述通孔的孔壁上。
18.一种石墨烯-金属复合导体，其特征在于，包括：
金属基体，所述金属基体具有相对的第一表面和第二表面、以及贯穿所述金属基体的第一表面和第二表面的至少一通孔；
石墨烯传导件，所述石墨烯传导件包括间隔嵌设在所述金属基体中的至少一石墨烯传导管，每一石墨烯传导管容置在一通孔中；
至少一个石墨烯导体，嵌设在所述金属基体中，每一石墨烯导体包括一石墨烯层、设置在所述石墨烯层上的至少一石墨烯管，每一石墨烯导体中，石墨烯管一端设置在石墨烯层上，另一端远离石墨烯层；
其中，每一石墨烯导体的石墨烯层与所述石墨烯传导管均相互连接。
19.一种石墨烯-金属复合导体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、提供模具，所述模具的底部设置有若干充气孔；
B、向所述模具中注入金属液，所述金属液为液态金属，在所述金属液中形成至少一通气孔，降低通气孔的孔壁温度，使通气孔的孔壁上的液态金属凝固形成固态金属；
C、向所述模具中通入含氧的第二惰性气体，使裸露的金属至少部分被氧化；
D、停止通入含氧的第二惰性气体，通过所述充气孔藉由所述通气孔向所述模具中通入碳源前驱体气体，在裸露的金属和/或金属氧化物的表面生长石墨烯；
E、冷却，得到石墨烯-金属复合导体。
20.如权利要求19所述的制备方法，其特征在于，所述步骤E之前还包括重复步骤B至步骤D共N次，其中，N为大于等于1的整数，每次重复步骤B时所形成的通气孔的位置与之前形成的通气孔的位置均不同。
21.如权利要求20所述的制备方法，其特征在于，每次重复步骤B之前包括向模具中通入惰性气体，以去除模具内的碳源前驱体气体。
22.如权利要求20所述的制备方法，其特征在于，每次重复步骤B时所形成的通气孔与之前形成的所有通气孔之间的间距至少为50 um。
23.如权利要求20所述的制备方法，其特征在于，
每次向所述模具中注入的金属液相同或不同；和/或
每次向所述模具中注入的金属液的深度为0.5~100 μm。
24.如权利要求20所述的制备方法，其特征在于，
所述步骤E中冷却之前还包括：向模具中注入第二金属液，使第二金属液填充在裸露的通气孔中；或者
所述步骤E中冷却之前还包括：向模具中注入第二金属液，使第二金属液填充在通气孔中并覆盖金属液上方的石墨烯。
25.如权利要求24所述的制备方法，其特征在于，
所述第二金属液中的金属包括金属单质或合金，所述金属单质包括铜、银、镍中的任意一种，所述合金包括金属与非金属形成的合金和两种以上的金属单质形成的合金中的一种或多种，所述金属与非金属形成的合金包括铜与非金属形成的合金、银与非金属形成的合金、镍铬合金，所述两种以上的金属单质形成的合金包括铜、银、铁、镍、铝、钨中两种或两种以上组成的合金；和/或
所述第二金属液的温度为1100~1500℃。
26.如权利要求20所述的制备方法，其特征在于，所述模具包括顶盖，所述顶盖上设置有若干排气孔，所述模具底部的充气孔与顶盖上的排气孔正相对，在最后一次重复步骤B时，新注入的金属液将所述模具充满。
27.如权利要求19所述的制备方法，其特征在于，所述在所述金属液中形成至少一通气孔，降低通气孔的孔壁温度包括：
将温度低于金属液温度的第一惰性气体经由充气孔注入至金属液中，形成气泡，所述气泡向上移动最终溢出至金属液的外部并破裂，在金属液中形成通气孔，并使通气孔的孔壁上的液态金属固化形成固态金属。
28.如权利要求27所述的制备方法，其特征在于，所述将温度低于金属液温度的第一惰性气体经由充气孔注入至金属液中包括：提供曝气器和第一惰性气体，将曝气器的曝气孔与模具的底部的至少部分充气孔连接，开启曝气器，经由充气孔向金属液中注入由第一惰性气体形成的气泡。
29.如权利要求28所述的制备方法，其特征在于，
所述通气孔的直径为0.025~0.1 mm。
30.如权利要求19所述的制备方法，其特征在于，所述在所述金属液中形成至少一通气孔，降低通气孔的孔壁温度包括：
向所述金属液中植入间隔的至少一管体，使每一管体与模具底部的一充气孔相通，将温度低于金属液温度的第一惰性气体通过充气孔经由管体充入模具中，使管体周围的液态金属固化形成固态金属，然后取出管体。
31.如权利要求30所述的制备方法，其特征在于，
所述管体为石墨管；和/或
所述管体的外径为0.001~10 mm。
32.如权利要求27或30所述的制备方法，其特征在于，
所述第一惰性气体的流量为1000~3000 sccm；和/或
所述第一惰性气体的温度为500~800℃；和/或
所述第一惰性气体选自氮气、氦气、氩气、氙气中的一种或多种。
33.如权利要求19所述的制备方法，其特征在于，
所述第二惰性气体选自氮气、氦气、氩气、氙气中的一种或多种；和/或
所述含氧的第二惰性气体中，氧气在第二惰性气体中的体积占比为0.001~0.1%；和/或
所述含氧的第二惰性气体的通入时间为5~20s；和/或
所述含氧的第二惰性气体的温度为1000~1300℃。
34.如权利要求19所述的制备方法，其特征在于，在向所述模具中通入含氧的第二惰性气体之前还包括：
向所述模具中通入温度高于金属液中金属的熔点的第三惰性气体，使步骤B中的固态金属表面的金属熔化形成液态金属。
35.如权利要求34所述的制备方法，其特征在于，
所述第三惰性气体的流量为1500~3500 sccm；和/或
所述第三惰性气体的温度为1200~1500℃；和/或
所述第三惰性气体选自氮气、氦气、氩气、氙气中的一种或多种。
36.如权利要求19所述的制备方法，其特征在于，
所述碳源前驱体气体包括甲烷、天然气、乙炔、丙烷中的一种或多种；和/或
所述碳源前驱体气体的温度为1000~1060℃；和/或
所述碳源前驱体气体的流量为5~50 sccm；和/或
所述金属液中的金属包括金属单质或合金，所述金属单质包括铜、银、镍中的任意一种，所述合金包括金属与非金属形成的合金和两种以上的金属单质形成的合金中的一种或多种，所述金属与非金属形成的合金包括铜与非金属形成的合金、银与非金属形成的合金、镍铬合金，所述两种以上的金属单质形成的合金包括铜、银、铁、镍、铝、钨中两种或两种以上组成的合金；和/或
所述金属液的温度为1100~1500℃。
37.如权利要求19所述的制备方法，其特征在于，在通入碳源前驱体气体的同时还通入有还原性气体和第四惰性气体。
38.如权利要求37所述的制备方法，其特征在于，
所述还原性气体包括氢气；和/或
所述第四惰性气体包括氮气、氦气、氩气、氙气中的一种或多种；和/或
所述还原性气体的流量为10~500 sccm；和/或
所述第四惰性气体的流量为0~1000 sccm。
39.一种权利要求1~18任意一项所述的石墨烯-金属复合导体或者权利要求19~38任意一项所述的制备方法制备得到的石墨烯-金属复合导体作为电线电缆或电接触头的应用。
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