[發明專利]石墨烯/多孔陶瓷復合導電材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201210016257.7
• 申請日: 2012-01-18
• 公開（公告）號: CN103219061A
• 公開（公告）日: 2013-07-24
• 發明（設計）人: 黃富強;周密;畢輝
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: H01B1/18
• 分類號: H01B1/18;H01B13/00
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 郭輝

技術領域

本發明屬于石墨烯復合材料領域，具體涉及一種石墨烯/多孔陶瓷復合導電材料及其制備方法。所述石墨烯/多孔陶瓷復合導電材料主要用于光伏、導電材料、散熱等領域。

技術背景

石墨烯自被成功分離，就因其優異的物理特性引起科學界的廣泛興趣。作為世界上導電性最好的材料，石墨烯中的電子運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的傳導速度。根據其優異的導電性，使它在微電子領域也具有巨大的應用潛力。另外石墨烯材料還是一種優良的改性劑，把石墨烯作為導電材料與各種物質復合，應用到新能源領域如光伏，儲能領域如鋰離子電池和超級電容器，散熱、導電等領域中。由于其高傳導性、高比表面積，可適用于作為電極材料助劑。在導電陶瓷開發方面，目前的導電陶瓷多是由復雜的化合物經過復合、摻雜等方法高溫退火得到的復合導電陶瓷。但它們的生產原料成本高、制備工藝復雜，復合比例要求嚴格，其應用受到各方面的限制。因此，如何突破這一瓶頸，開發出低成本、電學性能優異、可大規模生產的導電陶瓷是提高復合導電材料導電性能、降低成本的關鍵。由諸如二氧化硅，三氧化二鋁等燒結而成多孔陶瓷本身并不具有導電性能。而利用石墨烯優良的導電性能，將之與多孔陶瓷復合，不但使得多孔陶瓷具備的導電性，而且性能優良。這為導電陶瓷的制備提供了新的方法和新的思路。

發明內容

為了提升導電陶瓷材料的導電性能，本發明原創性的提出一種石墨烯/多孔陶瓷復合導電材料及其制備方法，其中，所述石墨烯/多孔陶瓷復合導電材料是由石墨烯、多孔陶瓷形成的復合材料。

在本發明一個實施方式中，本發明提供所述石墨烯/多孔陶瓷復合導電材料的制備方法，所述方法包括：

(a)將一種或多種陶瓷粉體研磨成為混合均勻、粒徑大小不一的陶瓷粉體；

(b)將所述陶瓷粉體和粘結劑共混和研磨，混合均勻后烘干，獲得烘干后的樣品；

(c)將烘干后的樣品進行成型，得到多孔的基底；

(d)將多孔的基底高溫退火成型，得到多孔的陶瓷基底；

(e)通過化學氣相沉積方法在該多孔的陶瓷基底上直接生長石墨烯，得到石墨烯/多孔陶瓷復合導電材料。

在本發明的實施方式中，所述一種或多種陶瓷粉體為選自二氧化硅、三氧化二鋁、氮化鋁、碳化硅、氧化鋯和碳化硼的陶瓷粉體。

在本發明的實施方式中，所述粘結劑為丙二醇、PVDF(聚偏氟乙烯)、PVP(聚乙烯吡咯烷酮)、PEG(聚乙二醇)、PVA(聚乙烯醇)以及它們的混合溶劑。在優選實施方式中，所述粘結劑占粉體質量的0.1％-99％。

在本發明實施方式中，所述成型通過機械壓片法、旋涂法、刮涂法進行；優選機械壓片法，其中，機械壓片法所用的模具的內徑在7mm-250mm之間；所述機械壓片在1MPa-100MPa的壓強范圍下進行1分鐘-60分鐘。

在本發明優選實施方式中，所述方法還包括將機械壓片后的多孔基片邊緣的凸起清除。

在本發明的實施方式中，在高溫退火的溫度在1000-1600℃之間，保溫時間在0.5小時-10小時之間。

在本發明的實施方式中，所述化學氣相沉積法所采用的碳源包括：甲烷、乙烯、乙炔、乙醇、乙烷、丙烷以及它們的混合氣；采用的保護氣包括：氮氣、氬氣、氦氣以及它們的混合氣；以及采用的還原氣體為氫氣。

在優選的實施方式中，所述化學氣相沉積法包括：

(a)程序升溫，升溫速率在0.5-20℃/分鐘；加熱至反應溫度600-1400℃，恒溫0-240分鐘；

(b)然后導入碳源、氫氣和保護氣，氣體流量為1-800sccm(標況毫升每分鐘)，反應時間1-480分鐘；

(c)反應完畢后，控制降溫速率為10-50℃/分鐘，冷卻至室溫。

另一方面，本發明還提供上述制備方法制得的石墨烯/多孔陶瓷復合導電材料，其中，所述石墨烯/多孔陶瓷復合導電材料是由石墨烯、多孔陶瓷形成的復合材料。

再一方面，本發明提供上述石墨烯/多孔陶瓷復合導電材料在光伏、導電材料、散熱器件中的應用。

本發明公開了一種新型的石墨烯/多孔陶瓷復合導電材料的制備方法工藝簡單，過程易控制，導電性能優異，不需要在真空條件下實施背接觸層的沉積，設備投資少，可以大規模生產。此外，石墨烯/多孔陶瓷復合導電材料用作導電基底獲得了方塊電阻低于0.3Ω/sq(歐姆/平方)的優異導電性能。

附圖說明

圖1：本發明一個實施方式中的石墨烯/多孔陶瓷復合材料的掃描電鏡照片。