TWI816378B - 石墨烯複合材料及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明揭露一種石墨烯複合材料，包含：柱狀基材以及石墨烯片，柱狀基材佔整體重量99.9-90%，石墨烯片佔整體重量0.1-10 %，其中於柱狀基材徑向截面上，石墨烯片形成複數不同半徑的圓形圖案。本發明另揭露一種石墨烯複合材料之製造方法，包含：提供柱狀基材及石墨烯片；旋轉摩擦柱狀基材形成塑化基材；施加剪切力攪拌石墨烯片及塑化基材形成石墨烯基材漿體；以及冷卻石墨烯基材漿體形成石墨烯複合材料。
Description
本發明係關於一種複合材料及其製造方法，且特別關於石墨烯複合材料及其製造方法。
隨著科技發展與環保意識的提升，電工、電子、化工、交通、機械等產業領域所需材料的導電、導熱、機械強度、耐候、製造成本等性質的要求也越來越高。以導電材料為例，銅的導電度高於鋁，但銅的機械強度及高溫抗變形能力較差；再以航空器機殼材料為例，鋁具有低密度、高強度及高延展性，但鋁的抗腐蝕性、抗衝擊能力較差；因此，習知技術通過合金、添加劑、熱處理等方法來製造所需特性的複合材料。
現有複合材料包含金屬基複合材料、陶瓷基複合材料及樹脂基複合材料等，其中金屬基複合材料(Metal Matrix Composites, MMCs)是指金屬基材與強化相材料混合煉製而成的複合材料，其兼具金屬與強化相材料的優點。工業上常使用粉末冶金、壓鑄等方法製造金屬基複合材料，粉末冶金主要是使用機械混拌金屬粉末及粉體強化相材料，再以無壓燒結、真空熱壓燒結、高壓扭轉、熱擠壓、熱軋等方式處理混合材料形成金屬基複合材料。
圖1繪示現有壓鑄設備的剖面示意圖。如圖1所示，壓鑄設備1包含油壓缸11、活塞12、壓縮室13及冷卻室14，將強化相材料置入壓縮室13，漿熔融金屬液注入壓縮室13與強化相材料混合，油壓缸11驅動活塞12擠壓金屬強化相材料混合液至冷卻室14內冷卻成型。現有壓鑄法製造金屬基複合材料技術核心在於強化相材料均勻分散在熔融金屬液與冷卻成型過程中不同材料不發生相分離。
在諸多強化相材料中，石墨烯是單層蜂巢晶格碳原子的二維材料，具有極高的楊氏模數、抗拉強度、導電度、導熱度及電子遷移率，因此受到極高的關注與研究。由於二維晶體在熱力學性質上的不穩定性，石墨烯不管是在自由態存在或沉積在基材，石墨烯都不是完全平整，其表面存在微觀三維尺度的皺褶，此皺褶會經由凡得瓦力(Van der waals force)導致石墨烯團聚，而石墨烯與金屬基材之間的濕潤性差，石墨烯更難以在基材中均勻分散。現有壓鑄設備及製法不能克服石墨烯在金屬液中團聚的問題，無法成功製造金屬/石墨烯複合材料。
中國專利CN10515353揭露一種金屬/石墨烯複合材料的製法，包含：在金屬顆粒表面還原氧化石墨烯產生包覆石墨烯的金屬粒子，以粉末冶金熱壓包覆石墨烯的金屬粒子產生金屬/石墨烯複合材料。此方法的步驟繁複，不易控制金屬與石墨烯的相對比例且容易在製程中引入不純物質，而原位還原氧化石墨烯無法完全移除石墨烯表面官能基與晶格缺陷，導致此複合材料無法產生石墨烯的特性。另有技術文獻提出超音波分散、溼式機械攪拌、球磨、行星式高能球磨、表面改質、靜電吸附等方法來促進石墨烯在金屬粉體或金屬液體中的分散及混合，然而前述方法皆不能克服使用較大量石墨烯的團聚問題而無法達到規模化生產，不具實用性。
目前產業亟需可控制成分比例與規模化生產具有石墨烯特性的石墨烯複合材料及製造方法。
為達成上述目的，本發明提供一種石墨烯複合材料之製造方法，包含：提供柱狀基材及石墨烯片；旋轉摩擦柱狀基材形成塑化基材；施加剪切力攪拌石墨烯片及塑化基材形成石墨烯基材漿體；以及冷卻石墨烯基材漿體形成石墨烯複合材料。
於一實施例，上述柱狀基材之材料為金屬、合金或聚合物。
於一實施例，上述金屬選自鉛、錫、鋅、鋁及銅之至少一者。
於一實施例，上述柱狀基材與上述石墨烯片之重量比介於99.9-90 %：0.1-10 %。
於一實施例，以旋轉模具旋轉摩擦上述基材之表面，使上述柱狀基材之溫度達到介於基材之70%熔點至熔點，而形成塑化基材。
於一實施例，以旋轉流道施加剪切力攪拌上述石墨烯片及上述塑化基材形成上述石墨烯基材漿體，旋轉流道位於上述旋轉模具內。
於一實施例，上述旋轉模具包含外模及內模，上述旋轉流道位於外模與內模之間，外模之內表面具有內凸耳，內模之外表面具有外凸耳，內凸耳及外凸耳交錯設置，當外模相對內模旋轉時，內凸耳及外凸耳產生上述剪切力。
為達成上述目的，本發明提供一種石墨烯複合材料，包含：柱狀基材，佔整體重量99.9-90%；以及石墨烯片，佔整體重量0.1-10 %，其中於柱狀基材之徑向截面上，石墨烯片形成複數不同半徑的圓形圖案。
於一實施例，上述石墨烯片之平均厚度介於1至3奈米，上述石墨烯片之平均片徑介於1至15微米。
於本發明之石墨烯複合材料之製造方法，以柱狀基材作為原料可準確控制石墨烯片與基材的重量比；旋轉摩擦柱狀基材形成塑化基材，再以高剪切力攪拌觸變狀態的塑化基材與石墨烯片形成石墨烯複合材料，步驟簡單，不需進行化學還原反應，不會引入雜質及造成晶格缺陷；所得石墨烯複合材料中石墨烯片與柱狀基材均勻混合不會相分離，石墨烯片於柱狀基材的徑向截面上形成複數不同半徑的圓形，石墨烯片沿柱狀基材的軸向呈螺旋排列，且石墨烯片與基材不會相分離，均勻分布且連續相接的石墨烯片可使石墨烯複合材料產生優異的導電、導熱及機械強度，符合各種產業的需求。
以下配合圖式及元件符號對本發明的實施方式做更詳細的說明，俾使熟習本發明所屬技術領域中之通常知識者在研讀本說明書後可據以實施本發明。本文所用術語僅用於闡述特定實施例，而並非旨在限制本發明。除非上下文中清楚地另外指明，否則本文的用語包含單數及複數形式，用語「及/或」包含相關所列項其中一或多者的任意及所有組合。
固體材料在外力摩擦下，表面會生成尺寸小於20微米的顆粒，持續施力摩擦使固體材料的溫度上升至塑化的臨界溫度Tc（介於固態材料的熔點Tm至熔點Tm的70%），對塑化的固態材料重複降溫及摩擦升溫，同時施加變化的剪切力，可使塑化材料產生觸變性(Thixotropy)。觸變性是指物體受到剪切時黏稠度變小（或變大），停止剪切時黏稠度變大（或變小）的現象，亦即物體的結構可逆變化且具有超塑性（伸長率特別高且不會斷裂）。產生觸變性的材料外觀上呈糊狀漿體（固相體積比最高達80%），內部包含彼此不連結的細小晶體顆粒，持續攪拌觸變性漿體，可防止細小晶體顆粒接觸形成大晶體顆粒，此時若以特定方法將其他適當大小的材料與觸變性漿體混合，可達到均勻分散材料的效果。
本發明利用固體基材的可塑性及觸變性產生均勻混合的石墨烯複合材料，本發明製造石墨烯複合材料的方法包含：提供柱狀基材及石墨烯片；旋轉摩擦柱狀基材形成塑化基材；施加剪切力攪拌石墨烯片及塑化基材形成石墨烯基材漿體；以及冷卻石墨烯基材漿體形成石墨烯複合材料。
柱狀基材之材料為金屬、合金或聚合物，其中金屬可選自鉛、錫、鋅、鋁及銅之至少一者，合金例如但不限於鋁合金、銅合金，聚合物例如但不限於聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、丙烯酸共聚物(Acrylic copolymers)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚醯亞胺(PI)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS) 、聚醚醚酮(PEEK)、尼龍(Nylon)等。石墨烯片包含多層石墨烯，石墨烯片的平均厚度介於1至3奈米，平均片徑介於1至15微米。柱狀基材與石墨烯片的重量比介於99.9-90 %：0.1-10 %。
依據本發明之製造方法，柱狀基材可塑化的臨界溫度Tc介於柱狀基材的70%熔點Tm至熔點Tm（例如Tc=0.7-0.9Tm）。以金屬及合金材料為例，在無惰性氣體的保護下，塑化溫度低於700℃可製造石墨烯與鉛、錫、鋅、鋁或鋁合金的複合材料；在有惰性氣體的保護下，塑化溫度低於1100℃可製造石墨烯與銅或銅合金的複合材料。
圖2為應用本發明之製造方法之水平式複合材料製造設備之側剖示意圖，圖2A圖2所示油壓單元之側剖示意圖，圖2B為圖2所示進料模具之側剖示意圖，圖2C為圖2所示旋轉模具之側剖示意圖，圖2D為圖2所示冷卻模具之側剖示意圖，圖2E為圖2所示之成型模具之側視示意圖。
如圖2及2A所示，水平式複合材料製造設備2的控制單元（未圖示）連接油壓單元21、進料模具22、旋轉模具23、冷卻模具24及成型模具25，控制單元包含控制介面20，可輸入及調整設備運作的參數（例如：活塞的推擠壓力、旋轉模具的轉速）。油壓單元21、進料模具22、旋轉模具23、冷卻模具24及成型模具25水平設置並以螺栓固定於可移動的承載台200上，油壓單元21包含油壓缸211及活塞212，油壓缸211及活塞212可推擠進料模具22內的原料。
如圖2及2B所示，水平式複合材料製造設備2的進料模具22包含原料缸體221及其內的原料室222，原料室222的內徑尺寸對應活塞212的外徑尺寸，原料缸體221選用如鎢、錳、鉬等金屬合金或碳化鎢等陶瓷合金的高熔點高強度材料製成，可承受活塞212推擠而不變形，原料缸體221與旋轉模具23相接的一側形成有4個內縮的螺孔2211，原料室222可容置柱狀基材S及石墨烯片G。
如圖2及2C所示，水平式複合材料製造設備2的旋轉模具23設置於滾動軸承230上，包含第一外模231、第一內模232、變速齒輪233、耦合齒輪組234及變頻馬達235，第一外模231可180°對開合組裝與清理，第一內模232設置於第一外模231內，第一內模232的二側分別連接進料模具22及冷卻模具24，變速齒輪233分別嚙合第一外模231的棘齒（未圖示）與耦合齒輪組234，變速齒輪233、耦合齒輪組234及變頻馬達235分別藉由螺栓固定於承載台200上，變頻馬達235連接耦合齒輪組234，變頻馬達235通過耦合齒輪組234及變速齒輪233帶動第一外模231旋轉。
第一外模231的厚度自進料模具22的一側至冷卻模具24的一側（軸向）呈漏斗狀逐漸增加，第一外模231的徑向二側分別形成開口尺寸較寬的入料口及開口尺寸較小的出料口，第一外模231的入料口的側壁與原料缸體221齊平，第一外模231的出料口的側壁上形成圓形溝，圓形溝內設置轉軸2311，第一外模231前中段（自入料口至中間的範圍）的內表面具有內凸耳2312，第一外模231可沿軸向180°開啟閉合便於組裝與清理，第一內模232朝向進料模具22的一側形成凸出第一外模231入料口的錐形面2321，錐形面2321的周緣具有4個凸條2322，凸條2322上有供螺栓穿過的通孔，第一內模232朝向冷卻模具24一側的垂直面與第一外模231出料口齊平，垂直面上形成凹槽2323，第一內模232前中段（自錐形面至中間的範圍）的內表面具有外凸耳2324；將第一內模232的4個凸條2322對位嵌入原料缸體221的4個螺孔2211，以螺栓鎖固第一內模232與原料缸體221，第一內模232的凹槽2323與冷卻模具24連接，使第一內模232的二側分別固定於進料模具22及冷卻模具24，再將第一外模231的入料口的側壁貼合原料缸體221的側壁，閉合第一外模231，使第一外模231與第一內模232相隔不大於5公分的間距且第一外模231的內凸耳2312與第一內模232的外凸耳2324交錯排列，即可在第一外模231與第一內模232之間形成與水平方向成15-30°的斜角延伸的旋轉流道236。第一外模231及第一內模232選用如鎢、錳、鉬等金屬合金或碳化鎢等陶瓷合金的高熔點高強度材料製成，可承受摩擦基材時產生的高溫及應力而不變形。
如圖2及2D所示，水平式複合材料製造設備2的冷卻模具24包含第二外模241及第二內模242，第二外模241的厚度自連接旋轉模具23的一側至連接成型模具25的一側（軸向）逐漸增加，第二外模241的徑向二側分別形成開口尺寸較寬的入料口及開口尺寸較小的出料口，第二外模241入料口的開口尺寸與第一外模231出料口的開口尺寸相同，第二外模241的入料口的側壁形成圓形溝，圓形溝容置轉軸2311，第二外模242的出料口的側壁上形成凸塊2411，凸塊2411可連接成型模具25；第二內模242朝向旋轉模具23的側面形成凸塊2421，凸塊2421可連接第一內模231的凹槽2323；第二外模241與第二內模242的相對二側具有對應的4個螺孔2412及凸條2422，以螺栓鎖固第二外模241與第二內模242，第二外模241內表面與第二內模242的外表面相隔約3公分的間隙形成與水平方向成15-30°的斜角延伸的降溫流道243，以第二外模241的入料口對位貼合第一外模231的出料口，即可連通旋轉流道236與降溫流道243。凸條2422露出降溫流道243的部分加工成圓形，可避免石墨烯基材漿體堆積而阻礙其通過降溫流道243。
如圖2及2E所示，水平式複合材料製造設備2的成型模具25包含成品缸體251及其內的成品室252，成品缸體251選用高熔點高強度材料製成，成品缸體251的軸向可開啟閉合，成品缸體251朝向冷卻模具24的側壁上形成凹槽2511，凹槽2511可連接第二外模241的凸塊2411，成品室252的內徑尺寸與第二外模241出料口的開口尺寸相同。
使用上述水平式複合材料製造設備製造石墨烯複合材料，基材（例如銅、鋁）可製成單一或複數柱體（圓柱體、角柱體），柱狀基材S的外徑及體積小於原料室222的內徑及體積，將柱狀基材S置入原料室222，再將石墨烯片G填滿原料室222（即填入柱狀基材S與缸體221之間的空隙）而覆蓋柱狀基材S；或製作與原料室222內徑相同的柱狀基材，以鑽孔工具沿柱狀基材的軸向形成一或多個相同孔徑的填料孔，在填料孔內填充石墨烯片；藉由柱狀基材作為原料，容易控制及調整石墨烯複合材料中基材與石墨烯片的相對重量比。
圖2F為圖2中II’段剖視示意圖， 如圖2、2C及2F所示，柱狀基材S朝向旋轉模具23的一側形成配合第一內模232的錐形面2321與凸條2322形狀的凹槽，將第一內模232的凸條2322鎖入原料缸體221的內縮螺孔2211同時使第一內模232的錐形面2321嵌入柱狀基材S的凹槽內，柱狀基材S的凹槽周圍露出第一內模232的部分與原料缸體221的側壁垂直面齊平，第一外模231入料口的側壁厚度大於原料缸體221的側壁厚度，從而第一外模231入料口的側壁超出原料缸體221側壁的肩部（如圖2F虛線所示位置）可貼合柱狀基材S的露出部分與石墨烯片G。啟動變頻馬達235帶動第一外模231旋轉，第一外模231的側壁的肩部旋轉摩擦柱狀基材S的露出部分產生的高熱形成塑化基材，活塞212推擠塑化基材與石墨烯片G進入旋轉流道236。
圖2G為圖2C所示第一內模的錐形面的徑向外觀示意圖。如圖2、2C及2G所示，第一內模232的錐形面2321緊貼柱狀基材S凹槽表面，錐形面2321上形成多道螺旋導溝2325，螺旋導溝2325的深度不大於5 mm。於第一外模231環繞第一內模232旋轉摩擦柱狀基材S形成塑化基材，活塞212推擠塑化基材與石墨烯片沿螺旋導溝2325進入旋轉流道236；於旋轉流道236內，第一外模231的內凸耳2312與第一內模232的外凸耳2324的高度約1至3公分，內凸耳2312與外凸耳2324相對旋轉交錯產生剪切力，不斷摩擦及攪拌塑化基材與石墨烯片使塑化基材的析晶及共晶逐漸微細化而產生具有觸變性的石墨烯基材漿體，石墨烯基材漿體中基材的微細化晶粒彼此不相連接，石墨烯片得以分散在基材的晶粒之間且不發生團聚，活塞212的推擠壓力與旋轉流道236的剪切力使石墨烯片與基材晶粒以螺旋方式排列通過旋轉流道236，石墨烯基材漿體通過降溫流道243逐漸冷卻成半固態複合材料，螺旋排列且相連的石墨烯片逐漸固著於基材的晶粒表面，活塞212的推擠壓力進一步將半固態複合材料擠至成型模具25固化形成柱狀石墨烯複合材料，石墨烯片與基材之間不會發生相分離，從而使複合材料具有石墨烯的優異特性。
圖3A為應用本發明之製造方法之垂直式複合材料製造設備之側剖示意圖，圖3B為圖3A所示摩擦頭之徑向外觀示意圖。如圖3A及3B所示，垂直式複合材料製造設備3包含支撐架30、油壓單元31、進料模具32、旋轉模具33及動力單元34，油壓單元31、進料模具32、旋轉模具33及動力單元34沿支撐架30的垂直方向設置，油壓單元31包含油壓缸311及活塞312，進料模具32包含原料缸體321及原料室322，旋轉模具33包含摩擦頭331、隔熱層332、導向筒333及旋轉流道334，摩擦頭331的摩擦面形成多條螺旋導溝3311，動力單元34包含馬達齒輪箱341及滾珠軸承342。
原料缸體321、摩擦頭331及導向筒333選用如鎢、錳、鉬等金屬合金或碳化鎢等陶瓷合金的高熔點高強度材料製成，隔熱層332選用陶瓷隔熱材料以阻隔摩擦頭331旋轉摩擦柱狀基材產生的高溫傳導至導向筒333，
於本實施例，柱狀基材S（例如：銅、鋁、或其他金屬）的軸向按照預定的石墨烯重量比挖孔，孔內填入石墨烯片G；將柱狀基材S與石墨烯片G置入原料室322；動力單元34帶動旋轉模具33以高扭力逆時鐘旋轉摩擦柱狀基材S，使柱狀基材S的溫度上升至塑化臨界溫度Tc形成觸變性的塑化基材；油壓單元31的活塞312以固定行程推擠塑化基材及石墨烯片G，塑化基材分別通過多條螺旋導溝3311混合石墨烯片進入旋轉流道334形成石墨烯基材漿體，活塞312推擠石墨烯基材漿體逆重力向上移動，同時旋轉流道334的內壁面對石墨烯基材漿體施加旋轉方向的剪切力，使石墨烯基材漿體在扭轉向上移動的過程，石墨烯片G逐漸在塑化基材內形成螺旋排列，隔熱層332可有效阻隔摩擦頭331的高溫傳導至導向筒333，石墨烯基材漿體通過導向筒333逐漸降溫形成石墨烯複合材料，活塞312將石墨烯複合材料推擠出旋轉流道334，即可獲得柱狀石墨烯複合材料。
依據本發明所製造之石墨烯複合材料包含柱狀基材及石墨烯片，其中柱狀基材佔整體重量99.9-90%，石墨烯片佔整體重量0.1-10 %，於柱狀基材之徑向截面上，石墨烯片形成複數不同半徑的圓形圖案。石墨烯片之平均厚度介於1至3奈米，平均片徑介於1至15微米。
以下將以實施例具體說明本發明，使得熟知習用技術的人士者能更加清楚了解本發明之技術及功效。
實施例1：石墨烯與金屬銅複合材料
石墨烯片（安炬科技股份有限公司生產之多層石墨烯粉體P-ML20，碳含量＞99%，比表面積45 m2/g，平均厚度約3 nm，平均片徑約8 mm）0.5 wt%與電解銅（銅純度＞99.5%，製成9 cm直徑的金屬銅柱）99.5 wt%，旋轉模具以 200 rpm摩擦銅棒至750 ℃，活塞以 50 千牛頓(kN)施力每分鐘行進 10 mm，獲得石墨烯金屬銅複合材料。圖4A為本實施例之石墨烯金屬銅複合材料之截面之光學顯微鏡圖，圖4B為本實施例之石墨烯金屬銅複合材料之截面之電子顯微鏡圖。如圖4A所示，石墨烯金屬銅複合材料包含金屬銅柱及石墨烯片G，於金屬銅柱的徑向截面可明確看到，石墨烯片形成複數不同半徑的圓形圖案，且如圖4B所示，石墨烯片G與金屬銅之間無相分離現象。值得說明的是，自金屬銅柱的軸向截面可觀察到沿柱狀軸向螺旋排列的多股石墨烯片連線（未圖示），均勻分布的石墨烯連線可產生石墨烯固有的優異性質，使石墨烯金屬銅複合材料具有高於金屬銅的導電性、導熱性及機械強度，可供後續進行鍛造、延壓等製程加工成所需產品（例如：散熱片、線材等）。本實施例之金屬銅與石墨烯金屬銅複合材料的硬度及導電性實測結果如下表1。
表1
| 材料 | Vickers硬度 | 導電性(ASTM) |
| 金屬銅 | 44 | 57.8 MS/m (99.7% IACS) |
| 石墨烯金屬銅複合材料 | 105 | 60 MS/m (104% IACS) |
實施例2：石墨烯與鋁合金複合材料
石墨烯片（安炬科技股份有限公司生產之多層石墨烯粉體P-ML20，碳含量＞99%，比表面積45 m2/g，平均厚度約3 nm，平均片徑約8 mm）0.5 wt%與鋁合金（ASTM 6061，製成9 cm直徑的鋁合金棒）99.5 wt%。旋轉模具以 250 rpm摩擦銅棒至550 ℃，活塞以 45 千牛頓(kN)施力每分鐘行進 15 mm，獲得石墨烯鋁合金複合材料。均勻分布的石墨烯片可產生石墨烯固有的優異性質，使石墨烯鋁合金複合材料具有高於鋁合金的導電性、導熱性及機械強度，可供後續進行加工製成所需產品（例如：電子裝置及航空器的機殼等）。本實施例之鋁合金原料及石墨烯鋁合金複合材料的硬度及導熱率實測結果如下表2。
表2
| 材料 | Vickers硬度 | 張力 | 導熱率(W/m˙K) |
| 鋁合金 | 75 | 340 MPa | 164 |
| 石墨烯鋁合金複合材料 | 120 | 480 MPa | 240 |
綜上所述，本發明之製造方法，以柱狀基材作為原料可精確控制石墨烯片與基材的重量比例，旋轉摩擦柱狀基材形成塑化基材，利用高剪切力分散及混合石墨烯片及塑化基材形成石墨烯複合材料，步驟簡單，不需進行化學還原反應，不會引入雜質及造成晶格缺陷，所得石墨烯複合材料中石墨烯片於柱狀基材的徑向截面形成複數不同半徑的圓形圖案，石墨烯片沿柱狀基材的軸向呈螺旋排列，且石墨烯片與基材不會相分離，具有優異的導電、導熱及機械強度，符合各種產業的需求。
上述實施例僅例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項專業之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有此項專業知識者，在未脫離本發明所揭示之精神與技術原理下所完成之一切等效修飾或改變，仍應由本發明之申請專利範圍所涵蓋。
1:壓鑄設備
11:油壓缸
12:活塞
13:壓縮室
14:冷卻室
2:水平式複合材料製造設備
20:控制介面
21,31:油壓單元
22,32:進料模具
23,33:旋轉模具
24:冷卻模具
25:成型模具
200:承載台
211,311:油壓缸
212,312:活塞
221,321:原料缸體
222,322:原料室
2211,2412:螺孔
230:滾動軸承
231:第一外模
232:第一內模
233:變速齒輪
234:耦合齒輪組
235:變頻馬達
236,334:旋轉流道
2311:轉軸
2312:內凸耳
2321:錐形面
2322,2422:凸條
2323,2511:凹槽
2324:外凸耳
2325,3311:螺旋導溝
241:第二外模
242:第二內模
243:降溫流道
2411,2421:凸塊
251:成品缸體
252:成品室
3:垂直式複合材料製造設備
30:支撐架
34:動力單元
331:摩擦頭
332:隔熱層
333:導向筒
341:馬達齒輪箱
342:滾珠軸承
S:柱狀基材
G:石墨烯片
圖1為現有壓鑄設備的剖面示意圖；
圖2為應用本發明之製造方法之水平式複合材料製造設備之側剖示意圖，圖2A為圖2所示油壓單元之側剖示意圖，圖2B為圖2所示進料模具之側剖示意圖，圖2C為圖2所示旋轉模具之側剖示意圖，圖2D為圖2所示冷卻模具之側剖示意圖，圖2E為圖2所示成型模具之側視示意圖，圖2F為圖2中II’段剖視示意圖，圖2G為圖2C所示第一內模的徑向外觀示意圖；
圖3A為應用本發明之製造方法之垂直式複合材料製造設備之側剖示意圖，圖3B為圖3A所示摩擦頭之徑向外觀示意圖；以及
圖4A為本發明之一實施例之石墨烯金屬銅複合材料之截面之光學顯微鏡圖，圖4B為本發明之一實施例之石墨烯金屬銅複合材料之截面之電子顯微鏡圖。
G:石墨烯片
Claims (10)
- 一種石墨烯複合材料之製造方法，包含：提供柱狀基材及石墨烯片；旋轉摩擦該柱狀基材形成塑化的基材，其中，包含：含有外模與內模的旋轉模具，該柱狀基材朝向該旋轉模具的一側形成配合該內模的錐形面與凸條形狀的凹槽，將該內模鎖入連接該旋轉模具的原料缸體同時使該內模的錐形面嵌入該柱狀基材的凹槽內，該外模的入料口的側壁厚度大於該原料缸體的側壁厚度，從而貼合該柱狀基材的露出部分與該石墨烯片；施加剪切力攪拌該塑化的基材及該石墨烯片形成石墨烯基材漿體，其中，當該外模被驅動以旋轉摩擦該柱狀基材的露出部分時，產生的高熱以形成該塑化的基材，並以旋轉流道施加剪切力攪拌該石墨烯片及該塑化的基材形成該石墨烯基材漿體；以及冷卻該石墨烯基材漿體形成石墨烯複合材料，該石墨烯複合材料包含該柱狀基材及該石墨烯片，其中，於該柱狀基材之徑向截面上，該石墨烯片形成複數不同半徑之圓形圖案。
- 如請求項1所述石墨烯複合材料之製造方法，其中該柱狀基材之材料為金屬、合金或聚合物。
- 如請求項2所述石墨烯複合材料之製造方法，其中該金屬選自鉛、錫、鋅、鋁及銅之至少一者。
- 如請求項1所述石墨烯複合材料之製造方法，其中該柱狀基材與該石墨烯片之重量比介於99.9-90%：0.1-10%。
- 如請求項1所述石墨烯複合材料之製造方法，其中以旋轉模具旋轉摩擦該柱狀基材之表面，使該柱狀基材之溫度介於該柱狀基材之70%熔點至熔點，而形成該塑化的基材。
- 如請求項5所述石墨烯複合材料之製造方法，其中該旋轉流道位於該旋轉模具內。
- 如請求項6所述石墨烯複合材料之製造方法，其中，該旋轉流道位於該外模與該內模之間，該外模之內表面具有內凸耳，該內模之外表面具有外凸耳，該內凸耳及該外凸耳交錯設置，當該外模相對該內模旋轉時，該內凸耳及該外凸耳產生該剪切力。
- 一種使用如請求項1至7中任一項所述石墨烯複合材料之製造方法的石墨烯複合材料，包含：柱狀基材，佔整體重量99.9-90%；以及石墨烯片，佔整體重量0.1-10%，其中於該柱狀基材之徑向截面上，該石墨烯片形成複數不同半徑之圓形圖案。
- 如請求項8所述石墨烯複合材料，其中該柱狀基材為金屬、合金或聚合物。
- 如請求項8所述石墨烯複合材料，其中該石墨烯片之平均厚度介於1至3奈米，該石墨烯片之片徑介於1至15微米。
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