[發(fā)明專利]石墨烯復合材料的制備方法及應用

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• 申請日: 2017-04-10
• 公開（公告）號: CN107058971A
• 公開（公告）日: 2017-08-18
• 發(fā)明（設計）人: 馮雙龍;史浩飛;李朝龍;朱興國
• 申請（專利權）人: 中國科學院重慶綠色智能技術研究院
• 主分類號: C23C16/26
• 分類號: C23C16/26;C23C16/513;B22F1/02
• 代理公司: 北京元本知識產(chǎn)權代理事務所11308
• 代理人: 黎昌莉

技術領域

本發(fā)明屬于石墨烯復合材料技術領域，具體涉及一種石墨烯復合材料的制備方法及應用。

背景技術

石墨烯作為一種極具研究價值和應用前景的新材料引起了研究者們的廣泛關注。在過去的十幾年里，研究者們對石墨烯的物理性能和化學性能進行了廣泛、深入地研究，如其力學、熱學、電學、磁學、光學、聲學和耐蝕性能等等得益于石墨烯的sp2軌道雜化以及二維薄層結構，石墨烯及類石墨烯材料展現(xiàn)出了超高的強度、優(yōu)異熱導率和電導率、透光率以及柔性輕質等特性。憑借以上獨特的物理性能，石墨烯在能源、環(huán)境、生物技術、電子技術和網(wǎng)絡技術、航空、航天及汽車工業(yè)等領域具有廣闊的應用前景。

因低成本、低密度、高比強度、優(yōu)異延展性和機加性能等優(yōu)點，鋁及其合金材料在航空航天、汽車和電子工業(yè)等領域得到廣泛應用，但是，普通鋁合金材料已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)技術飛速發(fā)展的需要。過去幾十年中，研究者們在提高鋁合金力學性能的傳統(tǒng)工藝研究上做出了巨大的努力，包括合金元素調(diào)整、結構設計、熱處理制度和變形工藝等，但是難以實現(xiàn)鋁合金力學性能的進一步突破。碳作為增強體能夠有效提高鋁及其合金的強度和剛度。最初，研究者們針對碳纖維或碳納米管增強鋁基復合材料進行了大量的研究。隨著石墨烯的出現(xiàn)，研究者們發(fā)現(xiàn)與碳纖維和碳納米管相比，石墨烯材料具有更高的強度、更高的模量、更大的比表面積和更好的延伸性能，這使得石墨烯增強鋁基納米復合材料有望成為下一代鋁基復合材料。值得一提的是，與顆粒及纖維增強材料相比，石墨烯獨特的二維結構具有全新的強軔化機理。此外，石墨烯在光學、熱學和電學性能上展現(xiàn)出的優(yōu)異性能，以及納米量子效應，有望賦予鋁基復合材料多功能化特性，從而得一種新型的輕質、導熱、導電和加工性能優(yōu)異的結構功能一體化材料。

目前，石墨烯增強鋁基復合材料仍然存在一些列的技術工藝問題，比如：

1)石墨烯不容易均勻分散石墨烯微片材料擁有較大的比表面積導致在分散過程中易團聚而降低表面能；2)不易制備出石墨烯含量較高的復合材料由于石墨烯在分散過程匯中易團聚所以分散的石墨烯量有限，進而造成了復合材料中石墨烯含量普遍偏低，這樣使得石墨烯的優(yōu)良性能不能得到充分的發(fā)揮；3)界面反應較嚴重采用純Al或低合金元素含量的Al合金作為基體，同時由于制備工藝加熱和保溫時間過長，這導致了石墨烯與基體之間發(fā)生較重的界面反應，生成Al₄C₃脆性相影響材料性能；4)制備工藝較為單一燒結法是制備石墨烯增強鋁基復合材料的最基本方法，而燒結法制備出的材料往往致密度不高，界面結合也不夠好。

因此開發(fā)一種無需復雜的預處理工藝和高溫過程、能直接利用在鋁粉基底上快速制備石墨烯的方法具有重要的產(chǎn)業(yè)意義。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種石墨烯復合材料的制備方法，該方法能直接利用在金屬粉體或非金屬粉體上制備石墨烯，無需復雜的預處理工藝和高溫過程，且處理工序更加簡化和具有兼容性。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案為：

石墨烯復合材料的制備方法，將基底粉體放置于等離子體化學氣相沉積裝置中，真空環(huán)境下，在等離子發(fā)生區(qū)域通入工作氣體載入碳源，0.1-1小時內(nèi)，在金屬粉體表面得到三維石墨烯；所述基底粉體為金屬粉體或非金屬粉體，所述金屬粉體包括鋁粉、鎳粉、銅粉、鈦粉的一種或多種，所述非金屬粉體包括碳化硅粉、石英的一種或多種。

作為一種優(yōu)選，所述金屬粉體為鋁粉。

進一步，所述真空環(huán)境的真空度控制為10-300毫巴；所述工作氣體包括氫氣、氬氣、氦氣和氮氣中的一種或多種。所述工作氣體包括但不僅限于氫氣、氬氣、氦氣和氮氣中的一種或多種。

進一步，所述碳源為甲烷及含有SP³和SP²碳原子的有機化合物。

本發(fā)明通過把粉基底體放置在等離子體反應的區(qū)域，且無需控制加熱溫度；把甲烷和/或含有SP³和SP²碳原子的有機化合物引入到反應體系中，在氫等離子作用下得到-CH₃鍵，適當增加碳的含量，從而實現(xiàn)快速在基底粉體上快速制備石墨烯花簇陣列的目的，此種方法可直接利用在基底上制備石墨烯，從而得到大比表面積的石墨烯包覆的復合材料。

現(xiàn)有技術的一些制備方法中需要控制加熱溫度，但溫度過高，會發(fā)生嚴重的界面反應，生成脆性界面相影響復合材料的性能；本發(fā)明的制備方法不需要高溫過程，界面反應較弱，增強了基體界面結合，從而提高復合材料的強度、硬度和韌性等性能。