[發明專利]一種碳納米管制備石墨烯的方法及其應用

有效

• 申請號: 202110434843.2
• 申請日: 2021-04-22
• 公開（公告）號: CN113198840B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 梅青松;陳子豪;梅鑫明;陳峰;徐濤;王一晨;邵皓華;李成林;張國棟
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: B21B1/38
• 分類號: B21B1/38;B21B47/00;C01B32/184
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 石超群

本發明涉及石墨烯及其復合材料的制備的技術領域，具體涉及一種碳納米管制備石墨烯的方法及其應用，室溫下，將碳納米管在溶劑中進行分散，并將其分散液涂敷在潔凈的金屬基片表面；待溶劑揮發后，在室溫無潤滑條件下，用金屬基片將碳納米管夾在中間進行軋制；軋制一次后，將樣品對半折疊，繼續軋制，重復對折、軋制至一定道次；軋制完成后，碳納米管逐漸展開生成石墨烯。本發明的制備方法無需采用化學試劑，工藝簡單，無化學污染，效率高，能得到層數低的高質量石墨烯，適合工業化生產。本發明利用本發明制備的石墨烯直接作為增強體，實現復合材料強度與塑性的良好平衡，同時能突破添加石墨烯體積分數的限制，使復合材料達到更高的強度。

技術領域

本發明涉及石墨烯及其復合材料的制備的技術領域，具體涉及一種碳納米管制備石墨烯的方法及其應用。

背景技術

石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化為結合方式組成六邊形呈蜂窩狀有序排列的二維材料。石墨烯自被發現以來，就備受研究者的關注。石墨烯具有優良的導熱性和導電性，其理論比表面積高達2630m²/g。同時，石墨烯也具有極高的強度和楊氏模量，其強度高達130GPa，是目前已知強度最高的材料。碳納米管的力學和導電性能同樣優異，與石墨烯相比，其表面積相對較低，故采用石墨烯制備復合材料時，石墨烯的強化效率更高。目前，石墨烯的制備方法主要有：氧化還原法、外延生長法、化學氣相沉淀法和機械剝離法等。其中，氧化還原法操作簡單、產量高，但是制得的石墨烯品質較差，現有研究中，也有采用該方法將碳納米管展開制備石墨烯，但是該方法使用化學試劑，會產生大量廢液，不利于環保；外延生長法和化學氣相沉淀法都可以制備質量較高的石墨烯，但因其工藝復雜，成本較高。機械剝離法制備的石墨烯品質差、缺陷多且制備效率低，難以實現工業化生產。因此，目前的制備方法成本高或具有一定的化學污染。

石墨烯由于其二維平面結構，比表面積大，采用石墨烯作為增強相可以有效地阻礙位錯的運動，對于金屬基體具有極好的強化效果，且強化效率極高。因此石墨烯被廣泛用于金屬復合材料中，但目前其他研究結果表明：添加石墨烯，往往會受到添加體積分數的限制，石墨烯體積分數高時復合材料強度提升不明顯，當體積分數加到3vol％以上時制備的石墨烯金屬基復合材料性能反而會下降。可能的原因是供貨態石墨烯一般尺寸較大，以微米級為主，由于其特殊的二維結構且比表面積高導致其高體積分數時容易發生團聚難以均勻分散在金屬基體中，即無法充分發揮石墨烯的作用。

發明內容

本發明的目的之一在于提供一種碳納米管制備石墨烯的方法，工藝簡單，無污染性，效率高，得到層數低的高質量石墨烯。

本發明的目的之二在于提供一種碳納米管制備石墨烯的方法的應用，制備石墨烯增強金屬復合材料，利用本發明制備的石墨烯直接作為增強體，實現復合材料強度與塑性的良好平衡，同時能突破添加石墨烯體積分數的限制，使復合材料達到更高的強度。

本發明實現目的之一所采用的方案是：一種碳納米管制備石墨烯的方法，包括以下步驟：

A1、室溫下，將碳納米管在溶劑中進行分散，并將其分散液涂敷在潔凈的金屬基片表面；

A2、待溶劑揮發后，在室溫無潤滑條件下，用金屬基片將碳納米管夾在中間進行軋制；軋制一次后，將樣品對半折疊，繼續軋制，重復對折、軋制至一定道次；

A3、軋制完成后，碳納米管逐漸展開生成石墨烯。

優選地，所述步驟A1中，金屬基片為鋁片、銅片、鈦片中的任意一種；溶劑為無水乙醇或丙酮。

優選地，所述步驟A1中，碳納米管的長度為10-30μm，管徑為10-50nm。

優選地，所述步驟A2中，每次軋制控制樣品在厚度方向上的變形量大于或等于50％。

優選地，所述步驟A2中，累積對折軋制10-150道次。

優選地，所述步驟A2中，軋制速度為100-300mm/min。