一种高导热石墨烯/钛复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种高导热石墨烯/钛复合材料的制备方法，通过电化学还原工艺在钛或钛合金基板表面制备石墨烯薄膜，形成石墨烯/钛复合材料。本发明专利技术的制备方法简单、可靠、操作性强，且不使用化学还原剂，减少了化学药品的污染，将还原和成膜过程一步完成，而且所制备的石墨烯薄膜致密、均匀、厚度可控。利用这种方法制备的石墨烯/钛复合材料的热导率显著提高，可进一步提高钛或钛合金的应用范围。

High thermal conductivity graphene / titanium composite material and preparation method thereof

The invention provides a preparation method of a high thermal conductivity graphene / titanium composite material, wherein graphene film is prepared on the surface of a titanium or titanium alloy substrate by electrochemical reduction process to form a graphene / titanium composite material. The preparation method of the invention is simple, reliable and feasible, and does not use the chemical reducing agent, reducing chemical pollution, will be reduced and the film-forming process in one step, and the prepared graphene film prepared uniform and controllable thickness. The thermal conductivity of the graphene / titanium composite prepared by this method is remarkably improved, and the range of application of Ti or Ti alloy can be further improved.

【技术实现步骤摘要】
一种高导热石墨烯/钛复合材料及其制备方法
本专利技术涉及复合材料领域，尤其涉及一种高导热石墨烯/钛复合材料及其制备方法。
技术介绍
钛和钛合金因为其具有高强度、低密度以及耐腐蚀性能好等优点，广泛应用于航天、航空、汽车等领域。但是钛和钛合金的导热性能较差，其室温热导率仅有5-21W/(m·K)，大大限制了其应用范围。如果能提高钛和钛合金的热导率，则其应用范围会更广。石墨烯是一类新型的二维材料，因为其优异的力、热、光、电等性能，而广受关注。石墨烯的理论热导率为3000-5000W/(m·K)，实验报道值超过1000W/(m·K)，导热性能非常优异。已经有各类研究，将石墨烯与高分子、金属和陶瓷基体复合，提高基体的导热性能。2010年，K.Jagannadham等报道，将石墨烯添加到铟和铟-镓体系，复合后体系的热导率提高2-3倍（K.Jagannadham,JournalofElectronicMaterials,2010,40,25-34）。2014年，P.Goli等在铜箔表面生长石墨烯，复合后铜箔的热导率提高24%（P.Goli,H.Ning,X.Li,C.Y.Lu,K.S.NovoselovandA.A.Balandin,NanoLetters,2014,14,1497-1503）。为提高钛和钛合金的热导率，已有学者将石墨烯与钛或钛合金复合。例如，2014年，Zheng,H等通过磁控溅射钛层，同时在表面浸涂化学还原好的石墨烯，反复多次，制备成石墨烯/钛复合材料，其热导率由21W/(m·K)，提高到40W/(m·K)。但该方法较为复杂，石墨薄层的厚度也难以控制（H.ZhengandK.Jaganandham,JournalofHeatTransfer,2014,136,061301-061301）。石墨烯的制备方法有多种，包括化学气相沉积法、物理剥离法、氧化还原法等。其中氧化还原法是指先制备氧化石墨烯，然后通过化学试剂还原或者通过电化学还原得到石墨烯。本专利技术采用电化学还原氧化石墨烯的方法，在钛或者钛合金表面直接制备石墨烯薄膜，来提高钛和钛合金的热导率。本专利技术所公开的方法与已报道的各类钛/石墨烯复合的方法有着明显的不同。如申请专利技术专利（申请号，201510125804.9，一种石墨烯/钛复合材料及其制备方法）是通过球磨钛粉和氧化石墨烯粉，然后冷冻干燥和烧结来制备石墨烯/钛复合材料。如申请专利技术专利（申请号201510685207.1，一种石墨烯增强钛基复合材料及其制备方法）是通过球磨石墨烯和钛粉，干燥后，热压烧结得到石墨烯增强钛基复合材料。如申请专利技术专利（申请号，201510341808.0，一种石墨烯纸的制备方法）是通过溶剂蒸发的方法先在基底（铜片、ITO玻璃或Pt片）上生成氧化石墨烯膜，再采用双电极体系，以凝胶为电解质，在-10V～0V电位范围内进行电化学还原，随后，浸泡、晾干、压平，得到石墨烯纸。如授权专利技术专利（授权公开号，CN104140096B，一种石墨烯卷的制备方法）是以氧化石墨烯为前驱体，两电极采用表面光滑的铜片，先选择电压为10～30V，进行正极吸附，再转换电压方向，选择电压为60～80V，进行负极还原反应，随后酸洗、去离子水清洗，再超声处理得到具有卷曲褶皱结构的石墨烯卷。如授权专利技术专利（授权公开号，CN103208373B，石墨烯电极及其制备方法与应用）是以氧化石墨烯为原料，但不调节氧化石墨烯的pH值，在抛光的金、镍、铝或不锈钢基板上，通过恒电位短时间还原（6-50秒），随后再在高氯酸锂水溶液中进一步还原，经去离子水冲洗后，得到孔径为5-20微米、厚度为10-60微米的三维多孔网络结构石墨烯，用做超级电容器等的电极。本专利技术与上述专利（授权公开号，CN103208373B，石墨烯电极及其制备方法与应用）有着明显的不同，表现在如下方面：（1）胶体性质和基板不同，CN103208373B专利不调节氧化石墨烯胶体的pH值，不添加电解质，采用抛光的金、镍、铝或不锈钢为基板，而本专利技术调节pH值，而且添加NaCl或Na2SO4以增加体系的导电性，采用钛或者钛合金为基板，这样石墨烯的质量更高；（2）电化学还原工艺不同，CN103208373B专利采用恒电位短时间（5-60秒）还原，而本专利技术采用连续电位扫描（0～-1.6V）多循环较长时间还原，这样氧化石墨烯还原的更充分；（3）电化学还原后处理工艺不同，CN103208373B专利在电化学反应后还要求产物继续在高氯酸锂溶液中进行还原反应，而本专利技术不需要；（4）石墨烯形态不同，CN103208373B专利的石墨烯产物为疏松的三维多孔网络结构，厚度10-60微米，主要应用于超级电容器电极，而本专利技术制备的石墨烯为致密、均匀的薄膜状，厚度0.4-2.0微米，主要为提高基板的热导率。在制备钛/石墨烯复合材料时，现有方法工艺较为复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种工艺简单、可靠、操作性强，不使用化学还原剂，且石墨烯膜致密、均匀、厚度可控，热导率更高的石墨烯/钛复合材料及其制备方法。为了达到上述的目的，本专利技术公开了一种高导热石墨烯/钛复合材料的制备方法，包括以下步骤：S101，配置氧化石墨烯胶体：配置氧化石墨烯胶体，调节其pH值，并向氧化石墨烯胶体中添加一定量的电解质；S102，电化学还原氧化石墨烯：采用电化学还原氧化石墨烯的方法，在钛或钛合金基板上制备石墨烯薄膜；S103，冲洗石墨烯薄膜：冲洗钛或钛合金基板表面的石墨烯薄膜；S104，干燥：在一定温度下，干燥一定时间，即得到石墨烯/钛复合材料。进一步地，上述石墨烯/钛复合材料的制备方法中，所述S101步骤中配置的氧化石墨烯胶体的浓度为7-35mg/mL。进一步地，上述石墨烯/钛复合材料的制备方法中，所述S101步骤中使用氨水或者氢氧化钠的一种或者两种调节氧化石墨烯胶体的pH值，且调节后的pH值为6.5-7。进一步地，上述石墨烯/钛复合材料的制备方法中，所述S101步骤中所用的电解质为氯化钠或硫酸钠的一种或者两种，且其在氧化石墨烯胶体中的浓度为0.05-0.1摩尔/升。进一步地，上述石墨烯/钛复合材料的制备方法中，所述S102步骤中，使用三电极体系的电化学工作站进行电化学还原，工作电极为钛或钛合金基板，对电极为石墨或铂，参比电极为饱和甘汞电极，所述三个电极都置于S101配置的氧化石墨烯胶体中。进一步地，上述石墨烯/钛复合材料的制备方法中，所述S102步骤中，电化学还原时，采用连续电位扫描，扫描速度为3-10mV/s，电压窗口为0～-1.6V，循环次数为5-20次。进一步地，上述石墨烯/钛复合材料的制备方法中，所述S103步骤中所用的清洗剂为去离子水、无水乙醇的一种或者两种。进一步地，上述石墨烯/钛复合材料的制备方法中，所述S104步骤中的干燥是自然干燥，干燥温度为20-40℃，干燥时间为0.5-10小时。本专利技术还公开了一种高导热石墨烯/钛复合材料，其是由上文所述方法之一制备得到的，且所述石墨烯在钛或钛合金基板的表面形成致密、均匀、厚度可控的薄膜状结构，薄膜厚度为400~2000nm；且所述石墨烯/钛复合材料的热导率比钛或钛合金基板的热导率提高20-80%。本专利技术采用电化学还原氧化石墨烯工艺本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高导热石墨烯/钛复合材料的制备方法，包括以下步骤：S101，配制氧化石墨烯胶体：配制氧化石墨烯胶体，调节其pH值，并向氧化石墨烯胶体中添加一定量的电解质；S102，电化学还原氧化石墨烯：采用电化学还原氧化石墨烯的方法，在钛或钛合金基板上制备石墨烯薄膜；S103，冲洗石墨烯薄膜：冲洗钛或钛合金基板表面的石墨烯薄膜；S104，干燥：在一定温度下，干燥一定时间，即得到高导热的石墨烯/钛复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种高导热石墨烯/钛复合材料的制备方法，包括以下步骤：S101，配制氧化石墨烯胶体：配制氧化石墨烯胶体，调节其pH值，并向氧化石墨烯胶体中添加一定量的电解质；S102，电化学还原氧化石墨烯：采用电化学还原氧化石墨烯的方法，在钛或钛合金基板上制备石墨烯薄膜；S103，冲洗石墨烯薄膜：冲洗钛或钛合金基板表面的石墨烯薄膜；S104，干燥：在一定温度下，干燥一定时间，即得到高导热的石墨烯/钛复合材料。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S101步骤中配置的氧化石墨烯胶体的浓度为7-35mg/mL。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S101步骤中使用氨水、氢氧化钠的一种或者两种调节氧化石墨烯胶体的pH值，且调节后的pH值为6.5-7。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S101步骤中所用的电解质为氯化钠或硫酸钠的一种或者两种，且其在氧化石墨烯胶体中的浓度为0.05-0.1摩尔/升。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S102步骤中...

【专利技术属性】
技术研发人员：王华涛，王静，张文英，杨新异，钟博，周薇薇，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：山东,37