[發明專利]泡沫石墨烯骨架增強鋁基復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201610161189.1
• 申請日: 2016-03-21
• 公開（公告）號: CN105603265B
• 公開（公告）日: 2017-10-31
• 發明（設計）人: 魏秋平;馬莉;周科朝;余志明;李志友;葉文濤;張岳峰
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C22C21/00
• 分類號: C22C21/00;C22C1/10;C23C16/26;C23C16/50
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所43114
• 代理人: 顏勇

技術領域

本發明公開了一種泡沫石墨烯骨架增強鋁基復合材料及其制備方法，屬于復合材料制備技術領域。

背景技術

石墨烯(Graphene)是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯，證實它可以單獨存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。石墨烯既是最薄的材料，也是最強韌的材料，斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍。同時它又有很好的彈性，拉伸幅度能達到自身尺寸的20％。它是目前自然界最薄、強度最高的材料，如果用一塊面積1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克便可以承受一只一千克的貓。作為目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”，科學家甚至預言石墨烯將“徹底改變21世紀”。

2014年05月08日，中航工業航材院的一組年輕科研人員在國際石墨烯研究領域首創“烯合金”材料，這一具有里程碑意義的重大自主創新，不但發明了一類具有優異性能的新型高端合金材料，也使我國成為石墨烯這一材料科學前沿基礎和應用研究的領跑者。烯合金的研制成功，宣告一代新型具有特殊優異性能的系列材料橫空出世，填補了世界材料科學領域的空白，進而將這門學科推向全新的領域。

石墨烯是目前熱導率(最高可達5300W/mK)最高的人造材料，而且熱膨脹系數和密度極低，將石墨烯作為增強相與高導熱金屬復合，在保證擁有理想熱膨脹系數和低密度的同時，可獲得更為優異的導熱性能。在常見的高導熱金屬中，鋁具有低密度(2.7g/cm³)、高熱導率(237W/mK)、低成本、耐腐蝕和易加工等優點，是電子封裝領域廣泛使用的一種散熱材料。因此，將石墨烯與鋁復合使其兼具高熱導、低熱膨脹和低密度等優異的綜合性能，現已成為新一代電子封裝材料的研究熱點。

目前國內外烯合金的主要研究思路是增加石墨烯粉末含量和改善石墨烯/鋁的復合界面，均取得了較好的效果。然而，此種復合結構中的石墨烯粉末(熱導率5300W/mK)猶如一座座由金屬鋁(熱導率237W/mK)連接的導熱孤島，既增加了兩相界面數量，又難產生協同作用，使石墨烯優異的導熱性能難以充分發揮。本發明的創新思路是在復合材料中構建連續的石墨烯網絡骨架，變高導熱孤島為高導熱通道。然而，對于傳統的顆粒增強型復合材料，網絡互穿結構的制備難度很大。

中國發明專利CN105112754A提出了一種三維網絡金剛石骨架增強金屬基復合材料及制備方法，其中金屬三維網絡骨架襯底采用機械加工方法制備或采用金屬線編織而成。然而，傳統的機械加工方法屬于多維加工，加工工序多，成本較高。此外，機械加工受制于傳統機械加工手段和設備的束縛，對三維多孔骨架內部孔徑、聯通性的精細控制難度較大。采用金屬線編織的方法，存在三維孔隙間含有縫隙，且工藝流程復雜等問題。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術之不足，提供一種泡沫石墨烯骨架增強鋁基復合材料及其制備方法。本發明制備的復合材料可以完整地復制泡沫金屬的結構，高導熱材料以無縫連接的方式構成一個全連通的整體，以三維網絡的形式均勻地分布于復合材料中，具有優異的連續導熱能力、電荷傳導能力和極低密度，有效提高復合材料的熱導率、導電率及機械強度相。

本發明泡沫石墨烯骨架增強鋁基復合材料，所述復合材料包括增強體、基體材料，所述增強體包括泡沫骨架襯底、石墨烯強化層，所述泡沫骨架襯底表面設有石墨烯強化層；所述泡沫骨架襯底選自泡沫金屬骨架、泡沫陶瓷骨架、泡沫碳骨架中的至少一種，所述基體材料選自鋁及鋁基合金。

本發明泡沫石墨烯骨架增強鋁基復合材料，所述泡沫金屬骨架選自泡沫鎳、泡沫銅、泡沫鈦、泡沫鈷、泡沫鎢、泡沫鉬、泡沫鉻、泡沫鐵鎳、泡沫鋁中的一種；所述泡沫陶瓷骨架選自泡沫A1₂O₃、泡沫ZrO₂、泡沫SiC、泡沫Si₃N₄、泡沫BN、泡沫B₄C、泡沫AlN、泡沫WC、泡沫Cr₇C₃中的一種。

本發明泡沫石墨烯骨架增強鋁基復合材料，所述泡沫骨架襯底中，泡沫孔徑為0.01-10mm，開孔率40-99.9％，泡沫孔洞均勻分布或隨機分布；泡沫骨架為平面結構或三維立體結構。

本發明泡沫石墨烯骨架增強鋁基復合材料，所述石墨烯強化層選自石墨烯膜、石墨烯墻、石墨烯包覆金剛石、碳納米管包覆石墨烯中的一種。