[發明專利]石墨烯增強金屬基復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201110261902.7
• 申請日: 2011-09-06
• 公開（公告）號: CN102329976A
• 公開（公告）日: 2012-01-25
• 發明（設計）人: 李志強;王景月;潘歡歡;范根蓮;張荻
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C22C1/05
• 分類號: C22C1/05;C22C1/10
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

技術領域

本發明涉及的是一種復合材料技術領域的材料及其制備方法，具體是一種石墨烯增強金屬基復合材料的制備方法。

背景技術

石墨烯是近年被發現和合成的一種新型二維平面碳質納米材料，具有無與倫比的高電子遷移率（~200000?cm²/V·s）、熱導率（~5000?W/m·K）、楊氏模量(1100?GPa)和斷裂強度(125GPa)，表現出優異的導電、導熱和力學特性。與碳納米管相比，石墨烯擁有相似的物理性質、更大的比表面積和更低的生產成本，所以石墨烯不僅被看好為下一代電子材料，而且有望代替碳納米管成為未來復合材料中最理想的填料或增強體。因此，基于石墨烯的納米復合材料研發是石墨烯邁向實際應用的一個重要方向。與起步較早、已經取得較大進展的石墨烯/聚合物和石墨烯/陶瓷復合材料相比，有關于石墨烯增強金屬基復合材料的研究還較少。目前，對石墨烯增強金屬基復合材料的研究主要集中在將Pt、Au、Ag等功能性貴金屬納米粒子分散在石墨烯片上，以便修飾石墨烯而改善其電子性能。另一方面，將石墨烯加入到Al、Cu、鋁合金等常規金屬材料中，預期可以得到輕質高強、兼備導電、導熱、耐磨、減振等功能特性的結構功能一體化復合材料，具有巨大的潛在應用前景。然而，這一類材料的研發工作卻受阻于制備技術的難關。由于石墨烯與金屬材料之間的性質差異最大，加之石墨烯既不親水也不親油，反應活性不高，使得對它進行改性比較困難，從而導致石墨烯與金屬基體材料復合也比較困難。

經對現有技術文獻檢索發現，美國專利（申請號20100092723）“NANO-SCALED?GRAPHENE?PLATE-REINFORCED?COMPOSITE?MATERIALS?AND?METHOD?OF?PRODUCING?SAME”（納米尺寸石墨烯片增強復合材料及其制備方法），首先配制由納米尺寸石墨烯片和基體材料組成、呈流態的混合物，然后經擠壓得到微纖并編織成預制體，再經固化得到最終的復合材料。該方法據稱適用于有機物、聚合物、金屬、陶瓷、玻璃等各種基體材料，并且通過纖維的排布可以調控石墨烯片的取向，從而使其發揮最大作用。顯然，該方法用于金屬基體材料時存在較大的局限性：石墨烯/金屬微纖的擠出和編織過程都相當復雜，效率低下，不適用于制備大塊的石墨烯增強金屬基復合材料；如果為了便于擠出而添加了過多的有機物或聚合物，還會給復合材料最終性能帶來不利影響。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種基于粉末冶金技術的石墨烯增強金屬基復合材料的制備方法。本發明采用片狀金屬粉末作為基體材料，利用其平面二維形態有效調控石墨烯片的均勻分散和取向分布。

本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明先用片狀金屬粉末從氧化石墨烯溶液中吸附氧化石墨烯，得到氧化石墨烯/金屬復合粉末，再經還原處理得到石墨烯/金屬復合粉末，最后再采用粉末冶金工藝制備密實的大塊復合材料。片狀金屬粉末傾向于“定向堆砌”形成疊層結構，有利于誘導石墨烯取向分布并發揮增強效果。因此，本發明簡便易行，具有規?；瘧脻摿?。

本發明包括以下步驟：

（1）將氧化石墨烯加入到水或有機溶劑中，制備氧化石墨烯溶液；?

（2）將片狀金屬粉末加入到氧化石墨烯溶液中，持續攪拌使氧化石墨烯被片狀金屬粉末表面吸附，然后進行洗滌、干燥，即得到氧化石墨烯/金屬復合粉末；

（3）在惰性或還原性氣氛下對氧化石墨烯/金屬復合粉末進行還原處理，即得到石墨烯/金屬復合粉末；

（4）采用粉末冶金工藝，對石墨烯/金屬復合粉末進行致密化處理，即得到密實的石墨烯增強金屬基復合材料。

所述的片狀金屬粉末為鋁、銅、鎂、鈦、鐵及其合金粉末中的一至多種，可用熔體甩帶、鑄軋、球磨等任意方法制備，徑厚比大于10，厚度介于200nm-5μm之間，片徑在5-500um之間。

所述的氧化石墨烯和石墨烯具有單層或多層石墨結構，厚度小于20nm。

本發明采用氧化石墨作為起始原料，是因為其表面含有大量羧基、羥基、環氧基等含氧基團，在甲醇、乙醇、丙酮、水等溶劑中易于分散，得到所述的氧化石墨烯溶液，并可不加或加入十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、十六烷基三甲基溴化銨、曲拉通、殼聚糖、β-環式糊精、戊二醛或膽汁鹽等表面活性劑的一種或者多種，進一步促進氧化石墨烯均勻分散。在所述氧化石墨烯溶液中，氧化石墨烯的濃度通常在0.1-10?mg/mL的范圍之內。