[發明專利]石墨烯與碳納米管混雜增強金屬基復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201210190250.7
• 申請日: 2012-06-11
• 公開（公告）號: CN102719693A
• 公開（公告）日: 2012-10-10
• 發明（設計）人: 李志強;王景月;李贊;范根蓮;張荻
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C22C1/10
• 分類號: C22C1/10;C22C1/05;B22F1/02;C01B31/04
• 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混雜增強復合材料及制備方法，具體是一種石墨烯與碳納米管混雜增強金屬基復合材料及其制備方法。

背景技術

近年來，碳質納米材料備受關注。其中，碳納米管的應用研究已經日趨成熟，被廣泛地應用于電子材料和復合材料領域。在復合材料領域中，碳納米管被認為是為理想的增強體。在鋁、鎂、鈦等輕合金基體中引入碳納米管，是研發新一代金屬基復合材料的主攻方向，作為未來的輕量化結構材料被寄予厚望。由于單壁碳納米管最難制備，成本最高，同時也最難分散，所以目前實際應用的多為易于制備和分散的雙壁碳納米管及多壁碳納米管。相對于單壁碳納米管，雙壁和多壁碳納米管大多為半導體性質，其導電與導熱性能顯著降低，因而并不能夠提高金屬基復合材料的導電與導熱性能。為了滿足經濟和科技發展需求，亟需開發一種兼備優異的力學性能和優異的傳導性能的新型金屬基復合材料。石墨烯的發現為實現上述開發目標帶來了希望。石墨烯是碳原子以sp2雜化軌道構成六角型蜂窩點陣的二維晶體，是石墨和碳納米管的組成單元，具有比單壁碳納米管更優異的功能特性與力學特性，如電子遷移率（~200000cm²/V·s）、熱導率（~5000W/m·K）、楊氏模量(1100GPa)和斷裂強度(125GPa)，并且更加容易制備。10層以內的寡層石墨烯結構穩定，具有比銅更好的導電和導熱性能，超出鋼鐵數十倍的彈性模量和斷裂強度。在理論上，石墨烯可以同時改善金屬材料的力學、熱學和電學性能，因此為開發輕質、高強、多功能、結構功能一體化的金屬基復合材料提供了寶貴契機。但在實際上，和碳納米管一樣，石墨烯與金屬基體之間存在巨大的性質差異，石墨烯自身聚集的傾向嚴重，很難實現界面結合和均勻分散。因此，迄今為止，有關石墨烯增強金屬基復合材料的研究報道還非常少。

經過對現有的技術文獻的檢索發現，中國專利(201010148878.1)“碳納米管金屬基復合材料的制備方法”，中國專利(201110261902.7)“石墨烯增強金屬基復合材料的制備方法”，分別采用料漿共混工藝制備碳納米管增強金屬基復合材料和石墨烯增強金屬基復合材料。由于只含有單一的碳納米管或者石墨烯增強體，上述復合材料體現以下不足之處：（1）單一由碳納米管增強的金屬基復合材料，雖然力學性能得到明顯改善，但是其導熱、導電性能改善并不明顯，有時候相對金屬基體而言反有所降低；（2）單一由石墨烯增強的金屬基復合材料，其力學、導熱和導電性能均有所提高，但是問題在于，石墨烯的比表面積比碳納米管要大得多，因此在金屬基體中能夠均勻分散的體積含量非常有限，通常不超過1%，因此最終復合材料性能改善的絕對值并不高。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種石墨烯與碳納米管混雜增強金屬基復合材料及其制備方法，由碳納米管與石墨烯混雜增強制備得到金屬基復合材料，通過復合工藝調控，使石墨烯與碳納米管相互連接，在金屬基體中構成增強網絡，從而大幅度地、同時提高所得復合材料的力學和導電、導熱性能。

本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明所述的石墨烯與碳納米管混雜增強金屬基復合材料，由石墨烯、碳納米管和金屬基體構成，石墨烯和碳納米管相互連接，在金屬基體當中構成增強網絡，其中石墨烯的體積分數為0.1%至1%，碳納米管的體積分數為0.5%至5%。

所述石墨烯為單層、雙層及10層以內的寡層石墨烯，其徑厚比大于200。

本發明上述石墨烯與碳納米管混雜增強金屬基復合材料的制備方法，具體為：首先采用料漿共混工藝制備，在金屬粉末表面吸附氧化石墨烯和碳納米管，得到（氧化石墨烯-碳納米管）/金屬復合粉末，然后通過還原處理將氧化石墨烯還原為石墨烯，從而得到（石墨烯-碳納米管）/金屬復合粉末，最終再通過致密化處理，得到大塊、密實的（石墨烯-碳納米管）/金屬復合材料。基于以上料漿共混和氧化石墨烯還原的技術方案，能夠保證石墨烯和碳納米管在金屬粉末表面的均勻分散，其中相對較少的石墨烯納米片即可將碳納米管連成網絡，從而發揮協同、耦合作用，實現力學和導熱、導電性能的同步提高，克服單一的碳納米管或者石墨烯增強金屬基復合材料的不足之處。

本發明所述制備方法包括以下步驟：

第一，采用料漿共混工藝制備（氧化石墨烯-碳納米管）/金屬復合粉末；

第二，對（氧化石墨烯-碳納米管）/金屬復合粉末進行還原處理，得到（石墨烯-碳納米管）/金屬復合粉末；

第三，對（石墨烯-碳納米管）/金屬復合粉末進行致密化處理，得到大塊、密實的（石墨烯-碳納米管）/金屬復合材料。