[發明專利]一種高結構完整高分散石墨烯/金屬復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201611089238.1
• 申請日: 2016-12-01
• 公開（公告）號: CN106756165B
• 公開（公告）日: 2018-12-14
• 發明（設計）人: 劉振宇;馬宗義;肖伯律;倪丁瑞;王全兆;王東;張星星
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C22C1/05
• 分類號: C22C1/05;C22C1/10;B22F1/00;C22C32/00;C01B32/19
• 代理公司: 沈陽晨創科技專利代理有限責任公司 21001
• 代理人: 崔曉蕾

本發明屬于復合材料制備技術領域，具體涉及一種高結構完整高分散性的石墨烯增強金屬基復合材料的制備方法。該方法可實現高結構完整的石墨烯在金屬基體中的良好分散。本發明以普通石墨為原料，采用在陰離子表面活性劑和硫酸鹽的混合水溶液中電化學剝離，快速獲得高結構完整性、懸浮性良好的石墨烯水溶液，然后將其與經過陽離子表面活性劑處理的金屬粉末混合，從而使石墨烯均勻的吸附在金屬粉末表面，隨后利用傳統的粉末冶金工藝制備出石墨烯增強金屬基復合材料。本發明的優點在于：(1)原材料采用普通石墨，成本低廉；(2)所制備的復合材料中石墨烯結構完整度高，分散性良好；(3)整個制備過程高效、環保，具備小批量規模化生產能力。

技術領域

本發明屬于復合材料制備技術領域，具體提供一種高結構完整性高分散性的石墨烯增強金屬基復合材料的制備方法。該方法可以實現石墨烯在金屬基體中的均勻分散，同時保證石墨烯具有良好的結構完整性。

背景技術

石墨烯具有極高的力學性能(抗拉強度>30GPa，彈性模量～1GPa)，良好的熱性能和電學性能，被認為是復合材料的理想增強體。石墨烯增強金屬基復合材料具有高比強度、高比剛度，而且具有潛在的優良導電和導熱性能，在航空航天、汽車制造、微電子等多個領域有著廣闊的應用前景。石墨烯與大多數金屬及其合金都不浸潤，限制了常規的液相法來制備石墨烯增強金屬基復合材料。而粉末冶金法則對石墨烯與金屬基體的浸潤性不敏感，更適用于制備石墨烯增強金屬基復合材料，同時，粉末冶金法制備的復合材料具有可宏量化，組織宏微觀均勻，增強相體積分數易于精確控制的特點。然而，由于石墨烯徑厚比巨大，片間范德華力作用強，在金屬基體中以團聚形式分布，難以發揮其完美的增強效果，分散石墨烯己成為制備優良性能石墨烯增強金屬基復合材料必須解決的首要問題。

目前采用粉末冶金法制備石墨烯增強金屬基復合材料的分散方法之一是把金屬粉末和石墨烯粉末進行高能球磨，利用其高能輸入的特點使金屬粉末反復變形、冷焊和破碎，從而達到分散石墨烯的目的。但是該方法不可避免地引入氧化物等雜質，而且對石墨烯本身結構造成損傷，不利于得到性能優良的復合材料。有報道顯示，石墨烯與銅粉在高能球磨4h后，拉曼光譜表明石墨烯出現了明顯的損傷[Carbon,2014,69,p 55-65]。在金屬粉末表面利用化學沉積原位生長石墨烯是另一種制備石墨烯/金屬復合材料粉末的方法，如中國專利“在銅粉表面原位催化固體碳源制備石墨烯/銅復合材料的方法”(申請號：CN201510227782.7)，但受制于金屬粉末的比表面積，其生成的石墨烯含量較低，無定形碳的含量較高，不利于后續復合材料力學性能的提升；而且僅適用于制備Cu、Ni等具有催化活性金屬作為基體的復合材料。此外，還有一種方法是采用氧化石墨烯代替石墨烯，利用氧化石墨烯易于分散到金屬粉末表面[Scripta Mater,2012,66,p 594-597]或對氧化石墨烯進行化學鍍[Adv Mater,2013,46,p 6724-6729]的原理從而獲得氧化石墨烯/金屬粉末前驅體，隨后經還原獲得均勻分散的石墨烯/金屬粉末。該方法石墨烯分散均勻，但缺點是石墨烯還原不充分，結構缺陷較多，不利于力學性能的提高。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種石墨烯增強金屬基復合材料的制備方法。本發明利用在陰離子表面活性劑和硫酸鹽的混合水溶液中電化學剝離石墨的方法，獲得在溶液中帶負電且均勻分散的石墨烯，使其易于吸附到金屬粉末表面，從而得到石墨烯分散均勻的復合粉末，然后再利用粉末冶金工藝制備石墨烯/金屬復合材料。此方法制備的復合材料中石墨烯不僅分散均勻，而且結構損傷小、徑厚比較大，因而有望獲得優異性能的復合材料，適用于要求輕質高強的航空航天、汽車制造等領域。

本發明是通過以下技術方案來實現的：

一種高結構完整性高分散性石墨烯增強金屬基復合材料的制備方法，其特征在于：以普通石墨為陽極，以導電材料為陰極，采用在陰離子表面活性劑溶液中對陽極進行電化學剝離，快速獲得高結構完整性、懸浮性良好的石墨烯水溶液，然后將其與經過陽離子表面處理的金屬粉末混合，從而使石墨烯均勻的吸附在金屬粉末表面，隨后利用粉末冶金工藝制備出石墨烯增強金屬基復合材料。